«ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ СЕМЯН СОИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УЛЬТРАЗВУКА ...»

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет

им. Н. И. Вавилова»

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 Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель:

д. т. н., профессор РУДИК Ф. Я.

Кинель –

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Проблема белка и пути ее решения

1.2 Сравнительный анализ белковых культур

1.3 Способы гидротермической обработки семян сои

1.4 Оборудование для гидротермической обработки семян сои

Заключение

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ СОЕВЫХ

ИНГИБИТОРОВ НА ПРОЦЕСС ПИЩЕВАРЕНИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТИ

ИХ ЭКСТРАГИРОВАНИЯ

2.1 Особенности усвоения соевого белка

2.2 Экстрагирование ингибиторов

2.3 Интенсификация процесса экстрагирования

Заключение

3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.................. 4.1 Исследование степени измельчения обрабатываемых семян

4.2 Нахождение концентрации окисляющего раствора

4.3 Нахождение количества окисляющего раствора

4.4 Нахождение вязкости обрабатываемой суспензии

4.5 Исследование динамики экстрагирования ингибиторов

4.6 Исследование динамики экстрагирования ингибиторов под воздействием ультразвука

4.7 Расчет производительности оборудования

4.8 Математическое моделирование процессов физико-химической обработки зерна сои

4.9 Анализ показателей качества семян сои

Заключение

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА................ ВЫВОДЫ

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

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 [65]. 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 [161].

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.

Главным образом сою перерабатывают в корм. Данный вопрос исследовали ученые: Козин Е. В. [61], Стребков В. Б. [155], Чернышова А. Н. [176], Столбовская А. А. [154], Ермолаева А. В. [42], Филатов В. В. [164], Бегеулов М. Ш. [13], Балакай Г. Т. [11], Дон Р. Н. [38], Monari S. [196], Erickson D. R. [191], Johnson L. A. [192], KeShun Liu [194] и др. Корма, произведенные из сои характеризуются хорошей переваримостью и высокой эффективностью рационов. Научно-обоснованное применение кормов на основе сои позволяет резко увеличить объемы производства и качество сельскохозяйственной продукции.

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 [193].

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 научноисследовательской 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 научноисследовательских мероприятий по низкотемпературной переработке зерна сои с целью повышения его кормовых достоинств внедрены на ФГБНУ «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 12 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, выводов, рекомендаций производству, списка использованной литературы и приложений. Работы изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 29 таблиц, 21 рисунок и 3 приложения. Список литературы включает 200 наименований из которых 10 на иностранных языках.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Белки – природные полимеры, молекулы которых представляют собой цепи аминокислотных остатков, соединенных пептидными связями [62, 84].

Последовательность аминокислот образует первичную структуру молекулы, имеющую вид спирали. Пространственная конфигурация, образуемая спиралью, называется вторичной структурой. Ее особенность в том, что при скручивании радикалы аминокислотных звеньев оказываются направленными наружу. Это имеет значение для образования третичной структуры – конфигурации, которую принимает в пространстве закрученная в спираль полипептидная цепь. Взаимодействуя между собой, функциональные группы радикалов удерживают третичную структуру, а также дают молекуле возможность вступать в реакции с различными соединениями. Таким образом расположение и доступность функциональных групп обусловливает реакционную способность белка [184].

Белки – гидрофильные соединения [136]. Взаимодействуя с водой они набухают, увеличиваясь в массе и объеме. Набухание сопровождается растворением молекулы. Глобулярные белки могут полностью раствориться, образуя растворы с невысокой концентрацией [50]. Способность растворяться – фактор, определяющий усвояемость белков в процессе пищеварения [69].

Другое важное свойство белков – способность к денатурации, т. е. процессу, когда под действием высокой температуры изменяются вторичная и третичная структуры молекулы. Функциональные группы при этом меняют свое положение, а интенсивный нагрев обусловливает их распад. В результате способность белка к растворению падает, его усвоение затрудняется [63].

Белок имеет первостепенное значение в жизнедеятельности животных, выполняя пластическую, регуляторную и энергетическую функции. Первая заключается в том, что белок играет роль строительного материала в образовании всех тканей и органов. Вторая – в том, что белок является основной составляющей ферментов, гормонов и иммунных тел. Третья – в том, что белки до определенной степени служат источником энергии. Потребность недойной коровы в белке составляет 500–800 г/сут, дойной – до 1500, молодой свиноматки – до 500 г/сут [17, 190].

Дефицит кормового белка ведет к тяжелым последствиям: снижается продуктивность животных, ухудшается качество продукции, замедляется рост молодняка. Вместе с этим увеличивается продолжительность выращивания и откорма, повышаются затраты кормов на единицу продукции, падает эффективность использования питательных веществ кормов [134, 178].

Белок может иметь животное, растительное или искусственное происхождение. Животный белок вырабатывают из побочных либо вторичных продуктов мясного и других пищевых производств [51, 80, 170, 171]. Учитывая, что организм животного не в состоянии производить ряд незаменимых аминокислот, выработка белка по данной схеме не может быть самостоятельной и должна рассматриваться лишь с позиций повышения эффективности использования ресурсов существующей кормовой базы [6, 35].

Химический синтез белковой молекулы затрудняется ее чрезвычайной сложностью: реализация подобной технологии на практике требует знания ее аминокислотного состава и структурных особенностей [54, 77, 78]. Поэтому в данной области перспективно получение белка на основе микробиологического синтеза, например, выработки кормовых дрожжей [172]. Недостаток таких производств также заключается в том, что они основаны лишь на переработке отходов: в роли питательной среды для дрожжей обычно выступают остаточные продукты гидролизных и целлюлозных предприятий.

В некоторых случаях недостаток белка компенсируют за счет карбамида и других аммонийных соединений, содержащих небелковый азот [8, 88, 145].

Микроорганизмы, находящиеся в рубце жвачных животных, обладают способностью преобразовывать его в аминокислоты. Однако, для животных с одним желудком (свиньи, лошади, кролики) подобные заменители белка не имеют никакой питательной ценности [76].

Исходя из вышесказанного, вынос рассмотренных производств в отдельный вид промышленности экономически нерационален. Устранение дефицита белка подразумевает развитие его первичных источников, к которым прежде всего относится растениеводство [85, 148]. Будучи организмамиавтотрофами растения в отличие от животных способны утилизировать простые неорганические вещества и самостоятельно производить полноценный белок [135]. Именно это определяет растениеводство как естественный и мощный источник питательных веществ для животноводческой сферы.

1.2 Сравнительный анализ белковых культур С целью выбора рационального типа белкового сырья наиболее подходящие сельскохозяйственные культуры должны быть проанализированы с точек зрения урожайности, технологии переработки и кормовых достоинств.

Большинство видов кормовых растений относится к двум семействам – бобовых и злаковых. Содержание белка в зерне злаковых не превышает 10– 12%, тогда как у бобовых составляет 25–35% [74, 133, 142, 188]. Благодаря этому бобовые используются как основное сырье для выработки белка [52, 71, 81, 141]. Из таблицы 1 видно, что наибольшим содержанием белка среди бобовых обладает соя, а ее ближайшими альтернативами являются нут и люпин.

Нут экономически выгоден при урожайности свыше 30 ц/га, чего удается достичь лишь на опытных участках. В производственных условиях урожай культуры часто снижен, что сильно сдерживает ее распространение. Количество жира в семенах нута составляет 4,01–7,2%, тогда как сами семена нуждаются в сложной многостадийной подготовке, а оставшаяся зеленая масса не пригодна для корма [16, 72, 187].

Люпин – малоосвоенная культура [131], на корм из которой выращивается всего 4 вида. Средний урожай культуры ниже, чем у нута и составляет 15–19 ц/га. Семена характеризуется высоким содержанием алкалоидов, исключающих их поедание в сыром виде. Содержание жира составляет 4,8% [39, 66].

Таблица 1 – Характеристика некоторых кормовых культур Злаковые Бобовые Урожайность сои при соблюдении технологии возделывания составляет 40 ц/га. По содержанию жира соя превосходит нут в 3, а люпин в 5 раз. В отличие от нута, зеленая масса сои является высокопитательным кормом. Соя содержит значительное количество аминокислоты глицина, полностью отсутствующей в белке люпина, а по содержанию незаменимой аминокислоты лизина опережает все прочие культуры. По макро- и микроэлементному составу среди бобовых соя также является наиболее полноценным сырьем [11, 180].

Согласно исследованию Комиссии по производству продуктов питания и сельскому хозяйству ООН соя имеет максимальный выход белка с единицы площади при самой низкой его себестоимости. Благодаря этому рентабельность производства сои достигает 50%, что в 2 раза больше аналогичного показателя для зерновых, по посевным площадям традиционно занимающих ведущее место [175, 185].

Таким образом, по кормовой ценности и экономической эффективности семена сои не имеют конкурентов среди регулярных сельскохозяйственных культур. Это делает производство и переработку сои одним из главных способов устранения дефицита кормового белка.

1.3 Способы гидротермической обработки семян сои Семена сои содержат особые соединения-ингибиторы, препятствующие ее усвоению. Поскольку ингибиторы – вещества белковой природы, то под действием различных физических и химических факторов (сильное встряхивание, воздействие тепла, ультрафиолетового и рентгеновского излучения, осаждение минеральными кислотами, алкалоидными реактивами, солями тяжелых металлов и др.) они денатурируют с потерей биологических свойств.

Так как использование химикатов ограничено нормами кормовой технологии [191], наибольшее распространение при подготовке семян сои получили различные виды гидротермической (ГТО) обработки [10, 21, 64, 156, 158].

По одному из способов семена сои вымачивают в воде 3 часа, а затем выдерживают при 90°C до влажности 7% [98]. Под действием влаги происходит гидролиз белка, окисление масла, ухудшение органолептических свойств продукта. Аппетит животных и количество съеденного корма снижаются. Способ требует специального оборудования для промывки и замачивания, что увеличивает площади производства и стоимость подготовки семян.

Известен способ подавления ингибиторов путем водной промывки, замачивания в растворе щелочи и термической обработки семян до влажности 8–12%. Увлажненные семена более чувствительны к нагреву, а щелочь разрушает ингибиторы Баумана-Бирка [100]. Недостатком способа является усиление бобового запаха и привкус щелочи в конечном продукте [121].

Растворы соли лучшее сохраняют положительные органолептические свойства семян сои. По одному из способов семена замачивают в растворе гидрокарбоната натрия при 20–50°C в течение 12–24 часов, затем промывают водой и сушат в 2 этапа [96]. Это способствует разрушению вредных олигосахаридов, однако не позволяет подавить ингибиторы, что обусловливает необходимость в дальнейшей тепловой обработке, нужной также для разрушения адсорбированной соли. Эффективность кислот по отношению к ингибиторам выше, чем у солей. Известен способ подавления ингибиторов, предусматривающий трехчасовую выдержку семян в растворе кислоты, но также требующий дополнительной тепловой обработки [121].

В целом, использование химикатов связано с дополнительными затратами по очистке сточных вод и утилизации отходов, загрязняющих окружающую среду. При высокой температуре некоторые реагенты разрушаются, что ограничивает применение нагрева на стадии замачивания.

Известен способ подготовки сои, согласно которому ее семена варят при температуре 132°C и давлении 0,2 МПа в течение часа. Для уменьшения твердости охлаждение семян ведут прерывисто в течение получаса, снижая давление со скоростью 0,0067 МПа/мин [104]. Недостаток способа – чрезмерная длительность, превышающая принятый цикл варки сои в автоклаве в 6 раз. Существует и ускоренная обработка, предусматривающая варку семян в течение 5 минут при температуре 130°C и давлении 0,16 МПа [92]. Данный способ, однако, неэффективен, так как при времени обработки менее 10 минут активность уреазы в конечном продукте превышает допустимую норму.

Другой подобный способ предусматривает обработку семян при более низкой температуре, но большей экспозиции: семена нагревают до 105–120°C и выдерживают так 10–20 минут при давлении 0,01–0,015 МПа [110]. В результате происходит разрушение уреазы, но активность ингибиторов сохраняется, что снова обусловливает необходимость в дальнейшей тепловой обработке.

Частным случаем варки является технологическая операция пропаривания. Известен способ получения соевой крупки, включающий увлажнение семян паром и подсушку при температуре 110–115°C [94]. Недостатком указанного способа является то, что пар воздействует только на поверхностные слои семян, проникновение же влаги во внутренние структуры целых или крупнодробленых семян не обеспечивается, что приводит к неполному устранению активности вредных соединений. Из технологии переработки семян канолы в муку известен способ нагрева сырья паром с температурой 90°C в течение 10 минут [125]. При этом разрушаются нежелательные фенольные соединения. В области подготовки семян сои данный способ, однако, неэффективен по той причине, что слишком низкая температура обработки не обеспечивает достаточного подавления в них развитого ферментного комплекса.

Альтернативным технологическим приемом, позволяющим обрабатывать сырье при высокой температуре и давлении, является экструдирование.

Известен способ, согласно которому семена сои подаются в экструдер при температуре 120–140°C и давлении 1,3–1,8 МПа. В данном случае имеет место одноэтапное тепловое воздействие на белковый материал. Этого недостаточно для эффективного разрушения ингибиторов, однако, при этом имеет место порча серосодержащих аминокислот и лизина. Попадание в рабочую камеру пресса атмосферного кислорода приводит также к окислению масляной фракции семян сои. Указанные недостатки частично устраняются в способе, основанном на трехэтапной сухой экструзии сырья с отводом воздуха.

При этом за счет снижения окислительных реакций удается повысить качество масляной составляющей [99]. Данный метод также не может быть отнесен к числу эффективных, что связано с повышенной энергоемкостью и низким качеством вырабатываемого белка вследствие его денатурации.

Экструзивная технология не позволяет сохранить целую форму семян, а интенсивное сдавливание сырья шнеками ведет к отделению масляной фракции. Последний эффект обычно выгоден в масложировой промышленности, но в производстве кормовых концентратов может быть неуместен из-за снижения энергетической ценности конечного продукта.

Ряд запатентованных способов в качестве меры, направленной на снижение ингибиторной активности соевых семян, предлагает микронизацию [44]. Данная обработка универсальна, может использоваться на различных этапах технологического процесса как второстепенная (предварительное подсушивание сырья) или основная (интенсивный нагрев, жарка) стадия ГТО. Микронизацию осуществляют самостоятельно или сочетают с другими технологическими операциями (замачивание, термопластическая экструзия) для повышения их эффективности.

Известны исследования, направленные на получение жмыха и масла, в которых обрушенные и увлажненные семена подвергаются кратковременной температурной обработке в электромагнитном поле СВЧ-диапазона [18, 109, 168]. Это позволяет вырабатывать продукт с низкой активностью уреазы, но длительное воздействие греющих лучей на сырье снижает в нем количество усвояемого белка. В соответствии с другим способом [113] обработка происходит в два этапа: соя без предварительного увлажнения сушится горячим воздухом и, по достижении температуры 95–100°C, подвергается кратковременному (20–30 секунд) воздействию СВЧ-поля. Результатом этого является некоторое улучшение кормовых достоинств семян за счет частичного разрушения ингибиторов, а также перехода крахмала в легкоусвояемую форму. Но по данному способу, вследствие пониженной влажности семян и малого времени обработки, микронизация неэффективна, значительная часть антиферментов остается активной.

С другой стороны из технологии производства взорванных зерен, используемых в различных пищевых или кормовых продуктах, известны способы обработки сои ИК-лучами. По одному из них семена предварительно замачивают, а затем подвергают микронизации и сушке горячим воздухом.

На завершающем этапе продукт гранулируют [93]. Увлажненные семена быстрее и глубже прогреваются, гранулирование способствует более полному расщеплению ингибиторов. Несмотря на это, предложенный метод неэффективен из-за низкой температуры нагрева (80°C). Так как греющие лучи имеют малую глубину проникновения, максимальная толщина обрабатываемого слоя составляет всего одно семя. Это определяет низкую производительность технологической линии, включающей ИК обработку. Другой способ совмещает оба вида микронизации: на первом этапе семена нагревают тепловыми лучами в течение 30–90 секунд до температуры 95–105°C, а затем, в течение минуты, температуру доводят до 180°C в СВЧ поле [101]. В данном варианте конечная температура обработки, напротив, слишком высока: белковый продукт, выработанный указанным способом, будет иметь пониженный индекс растворимости и усвояемости белка, природный жир будет характеризоваться высоким содержанием канцерогенных веществ.

К общим недостаткам микронизации относятся неравномерный нагрев материала, риск обугливания поверхности семян, необходимость в специальном оборудовании для обработки сырья в спадающем электромагнитном поле. Микронизация улучшает переваримость углеводов, но также интенсивно разрушает белки, снижает в них содержание незаменимых аминокислот. В семенах после обработки в тепловом поле отмечается низкое содержание биологически активных веществ: токоферолов, каратиноидов.

В последнее время все чаще практикуется введение в процесс предварительной подготовки семян стадии проращивания. При этом в семенах начинаются комплексные морфологические и биохимические процессы: нарушается клеточная структура эндосперма, развивается зародыш, происходит активация ферментов, сложные вещества превращаются в простые [83]. Этап проращивания, вследствие частичного разрушения антиферментов, позволяет в дальнейшем использовать более мягкие режимы тепловой обработки, дополнительно повышает кормовую и биологическую ценность сырья. Вместе с этим проращивание стимулирует активное развитие микроорганизмов, а также увеличивает продолжительность приготовления комбикорма [147].

Известны способы обработки сои, в соответствии с которыми семена промывают и замачивают в растворе солей до появления ростков длиной 1,2– 1,5 [116] или 0,5–0,7 [120] см, а затем варят в автоклаве. Способы позволяют вырабатывать минерализованные семена с пониженной активностью уреазы.

К их недостаткам относятся комплексная и продолжительная (не менее 8 часов) влажная обработка, высокий риск возникновения брожения, скисания и порчи сырья. Подготовка семян осложняется чрезвычайно узкими диапазонами допустимых технологических параметров: температура воды для замачивания не должна быть менее 18 и более 20°C. В противном случае, использование холодной воды приведет к увеличению длительности процесса, а воды с температурой выше указанной – к неравномерному размягчению структуры семян и повышению энергетических затрат. Во избежание запаривания и образования неприятного запаха, замоченные семена укладывают слоем высотой не более 0,2 м, что требует большого количества емкостей. Подготовленные семена помещают в термостаты. Здесь, аналогично случаю с водой, также требуется тщательная выверка и поддержка температуры в диапазоне 24–26°C, поскольку при более низких температурах семена прорастают медленно и неравномерно, а при более высоких утрачивают положительные органолептические свойства. Процесс требует ежечасной подачи специально подготовленной минеральной воды, что увеличивает стоимость обработки.

Из технологии производства молочных смесей известны способы нейтрализации ингибиторов за счет обработки сырья ферментными препаратами в чистом виде. По одной из таких методик в подогретый до температуры 50–60°C водный раствор белка добавляют фермент протеазу так, чтобы ее количество находилось в пределах 0,5–1% от массы смеси [126]. В результате начинается процесс гидролиза, приводящий к частичному разрушению вредных соединений. Продукт гидролиза лучше усваивается и не вызывает пищевой аллергии. Представленная методика реализована в продовольственной технологии, но, после введения предварительных операций измельчения и замачивания, а также пересмотра видов и объемов добавляемых ферментов, может быть использована в переработке семян сои на корм. При этом необходимо учитывать, что действие ферментов не избирательно, и по этой причине большая их часть будет реагировать прежде всего с полезным белком, а не вредными соединениями. Это определяет низкую эффективность способа и не позволяет вырабатывать корм с малым содержанием ингибиторов. К другим недостаткам способа следует отнести его высокую (вследствие использования белковых катализаторов) стоимость и снижение кормовой ценности семян за счет перевода в неусвояемую форму некоторых, богатых аминокислотами белков.

Разрушение вредных соединений возможно не только за счет ферментов.

По одному из изобретений, сырье с высоким содержанием ингибиторов обрабатывается микроводорослью Spirulina Platensis. Растительный материал измельчается, увлажняется и смешивается с обезвреживающим компонентом, добавляемым в количестве 0,1–0,5% от массы смеси [130]. Обладая трипсиновой активностью, микроводоросль связывает ингибиторы, повышая тем самым доступность соевого белка. Данный способ дешевле предыдущего, однако и он имеет ряд существенных недостатков. Применение биологического препарата способствует развитию микрофлоры и появлению у продукта неприятного запаха, а также, обязательно требует тонкого измельчения зерна для эффективного взаимодействия компонентов смеси друг с другом, что увеличивает затраты энергии. С той же целью измельченная масса должна непрерывно перемешиваться, что не позволяет обойтись обычной ванной для замачивания и требует емкостей, оснащенных мешалкой. При этом из-за риска повреждения клеток микроводоросли, процесс переработки не может быть ускорен с помощью нагрева и занимает значительный промежуток времени (не менее 3 часов).

Исходя из сказанного, вследствие использования композитных реагентов рассмотренные способы подготовки зерна сои характеризуются сложностью и энергоемкостью. Необходимость удаления следов химических веществ обусловливает проведение дальнейшей обработки сырья, что увеличивает себестоимость конечного продукта. Способы, содержащие фазу бесконтактного нагрева, в силу специфики последнего также являются комбинированными и вследствие этого – дорогостоящими.

1.4 Оборудование для гидротермической обработки семян сои К методам гидротермической обработки относятся: гранулирование, экструдирование, пропаривание, варка, подготовка в инфракрасном (ИК) и поле сверхвысоких частот (СВЧ) [90].

Гранулирование осуществляют в специальных прессах, состоящих из смесителя и прессующего узла [200]. В смесителе из форсунок непосредственно в продукт подается пар под давлением 0,2–0,3 МПа. В результате пропаривания влажность сырья повышается до 15–17%, а температура – до 75–85°C. Далее продукт поступает в зону сдавливания, попадает в клиновидный зазор между валком и матрицей, уплотняется и, продавливаясь через матричные каналы, срезается на выходе специальным ножом.

При гранулировании биохимические преобразования в обрабатываемом продукте сводятся к незначительному изменению состояния крахмала, белков и некоторых ферментов [79, 174]. Обработка сои с помощью гранулирования неэффективна. Ингибиторы трипсина термоустойчивы; для их разрушения необходим прогрев при 100°C в течение 15 минут.

Экструзивная технология также совмещает тепловую, влажную и механическую обработку сырья [169]. Продукт доводят до влажности 12–16%, измельчают и подают в экструдер, где зерновая масса подвергается интенсивному сжатию и нагреву. В процессе нагнетания шнеками и за счет подвода внешнего тепла температура в рабочей камере аппарата достигает 120–150°C, а давление – 2–3 МПа. При проходе зерна через фильеру на выходе из экструдера происходит резкий сброс давления и мгновенное испарение перегретой жидкости. В результате продукт увеличивается в объеме и приобретает микропористую структуру [195, 199].

При обработке сои экструзивная технология обеспечивает денатурацию некоторой части ингибиторов, переводит сложные сахара в более усвояемую форму, уничтожает патогенные микроорганизмы и плесневые грибы [75].

При этом глубокие биохимические изменения в сырье, не происходят из-за слишком короткого времени нахождения семян в зоне обработки (15–20 с).

Данного времени недостаточно и для снижения до требуемых норм ингибиторной активности. Поэтому, с целью более эффективного подавления вредных соединений, длительность обработки семян в экструдере стремятся увеличить в несколько раз, а саму обработку комбинируют с дополнительными этапами ГТО, например, сухим горячим кондиционированием. В итоге необходимая степень разрушения ингибиторов достигается, но вместе с этим значительно увеличивается себестоимость конечного продукта.

С технической точки зрения эффективность экструзии снижается в основном за счет действия двух факторов: наличия обратного потока сырья внутри рабочей камеры и ограниченности в управлении глубиной физикохимических превращений основных компонентов обрабатываемого материала (белки, ферменты, жиры, крахмал).

Известен пресс-экструдер [105], в котором, благодаря созданию особых изолированных зон обрабатываемый продукт частично лишается возможности двигаться назад. Эффект достигается установкой на внутренней поверхности корпуса шнека жестко закрепленных колец, служащих барьером противотоку. Для того чтобы не мешать поступательному движению сырья, кольца на внутренней стороне снабжены пазами. Обратный проход через пазы затруднен вследствие повышенного по сравнению с встречным давления в течении. Таким образом, обрабатываемая масса продукта циркулирует в установленных пределах, постепенно продвигаясь к выходу.

Недостатком данного устройства является невозможность регулировки длины и высоты пазов кольца при работе с разным по физико-механическим и технологическим характеристикам сырьем. Сопротивление прямому току вследствие этого может оказаться значительным; пазы забиваются частицами материала, что еще больше снижает эффективность экструзии [111, 115, 118].

Помимо наличия обратного течения в периферийной части корпуса шнека многие варианты пресса-экструдера имеют проблемы, связанные с отсутствием или недостаточной регулировкой степени термомеханического воздействия на продукт. Так, известны шнековые прессы [114, 117], конструктивной особенностью которых является уменьшенная площадь поперечного сечения кольцевого зазора между шнеком и кожухом, что позволяет снизить утечку сырья. При этом оборудование не оснащено системой управления нагревом, что вызывает пригорание сырья к стенкам матрицы, загрязнение конечного продукта, а также повышенный износ рабочих органов [129]. С другой стороны, стремление обеспечить минимальные размеры указанного зазора препятствует эффективному управлению давлением в зоне прессования [128]. Установка же регулируемых систем нагрева и специальных затворов для изменения давления усложняет конструкцию экструдера и требует наличия датчиков для регистрации и коррекции параметров процесса [127].

Как следует из таблицы 2, на настоящее время при подготовке сои одним из наиболее эффективных методов ГТО является паровой и водяной прогрев [58]. Данная обработка осуществляется в различных пропаривателях и варочных аппаратах.

Таблица 2 – Эффективность некоторых способов ГТО семян сои по остаточной активности вредных соединений При обработке в пропаривателях зерно самотеком поступает и на некоторое время задерживается в рабочей камере устройства. Там оно взаимодействует с паром при давлении 0,3–0,5 МПа и температуре 120–140°C. Длительность цикла пропаривания сои составляет 15–30 мин. В отличие от экструдеров шнековые пропариватели не развивают значительного механического давления. Вследствие этого материал без задержки проходит к выходу из оборудования, что позволяет избежать появления противотока.

Известен шнековый пропариватель непрерывного действия, в котором тепловая подготовка семян длится 3–5 минут при давлении 0,05–0,1 МПа [40]. К недостаткам устройства относятся невозможность развития давления свыше указанного предела, что требуется для эффективного изменения физико-химических характеристик продукта. Необходимая влажность семян также не достигается, из-за чего процесс повторяют несколько раз, что значительно увеличивает время и стоимость технологической операции [124].

Из анализа способов и оборудования известны также пропариватели периодического действия, имеющие по сравнению со шнековыми ряд преимуществ: отсутствие внутренних вращающихся частей снижает процент поврежденных семян на выходе, а герметично закрывающаяся камера позволяет вести более эффективную обработку при избыточных давлениях пара. На крупозаводах получил распространение аппарат для ГТО семян с автоматическим управлением А9-БПБ [37].

Данный аппарат состоит из цилиндрического корпуса с конической нижней частью, сферической крышки, загрузочного и разгрузочного устройств. Внутри аппарата имеется вертикальная труба с патрубками для распределения пара. Недостаток оборудования заключается в неравномерном нагреве и увлажнении семян. В массе сырья возникают застойные зоны, происходит образование комков и налипание семян на конструктивные элементы. Впоследствии это затрудняет разгрузку и приводит к вторичной обработке налипших семян, которые в результате обгорают и пересушиваются [123].

Варку предварительно вымоченных семян осуществляют в аппаратах открытого или герметичного типа. Операция длится в течение 0,5–1,0 часа.

Наиболее эффективно и быстро обрабатывают семена в автоклавах, где процесс идет под давлением пара (около 0,1 МПа) и более высокой температуре 120°C. Время обработки при этом сокращается до 15 мин.

Известны устройства для обработки сырья, состоящие из герметичной емкости автоклава и отделенного перегородкой парообразователя [112]. Недостатком данной конструкции является отсутствие контроля над расходом пара в рабочей камере, а также недостаточно интенсивное движение насыщенного пара, необходимое для быстрого нагрева сырья и активного проникновения влаги внутрь его. В одном из вариантов аппарата данная проблема частично решается за счет повышения давления. При этом в трубах на входе рабочего тела в автоклав и на его выходе установлены регистраторы показателей пара: температуры и влажности [122]. В данном устройстве неучтенным остается то, что значительное количество тепла теряется через стенки корпуса, температура на периферии устройства снижается, что вызывает неравномерность теплового поля в рабочей зоне.

Известны автоклавы с приспособлениями для распределения рабочих сред. В нижней и верхней частях корпуса устанавливаются полые вертикальные валы с закрепленными на них лопастями, имеющими горизонтальные сопла. Применение подобных устройств снижает эффективность использования рабочего объема автоклава, поскольку зоны, занимаемые трубами значительны по объему, и требуют дополнительной энергии для нагрева находящейся в них жидкости [103].

В последние годы получили распространение методы ГТО, основанные на интенсивном нагреве массы семян в потоке ИК или СВЧ излучения. Такую обработку выполняют в установках барабанного, карусельного или конвейерного типа. Семена ровным слоем подаются на транспортер и пронизываются греющими лучами [164]. Нагрев электромагнитными волнами обеспечивается за счет усиления вибраций молекул воды, содержащихся в продукте. В связи с этим эффективность рассматриваемых методов бесконтактного подвода энергии в большой степени зависит от увлажненности сырья [47, 166]. На этом основании в технологическую линию включают дополнительное оборудование для влажной обработки семян, а это, аналогично случаю с экструзивной технологией, ведет к удорожанию продукции.

ИК обработка ведется в течение 1,5 минут, температура продукта при этом достигает 140–200°C. В процессе нагрева влага внутри семян испаряется, на их поверхности появляются микротрещины, происходит денатурация ингибиторов, часть крахмала превращается в декстрины. Недостаток данного метода заключается в том, что он легко вызывает перегрев зерновой массы.

Даже кратковременное (60–80 с) повышение температуры соевых семян до 150°C приводит к резкому снижению растворимости белка и увеличению зольности продукта [144]. Использование пониженных температур устраняет риск перегрева, но оказывается неэффективным в отношении ингибиторов;

их активность снижается менее, чем на 10%.

Известна ИК печь, содержащая загрузочный бункер, питатель, наклонный лоток с вибрационным возбудителем и расположенный над ним источник излучения. К недостаткам устройства относятся отсутствие увлажнения семян перед обработкой, что позволяет эффективно работать только с таким сырьем, влажность которого находится не ниже определенного значения.

Существуют также печи, в которых ИК нагреватели комбинируются с ультрафиолетовыми (УФ). Потребная мощность таких установок увеличена на 30%, что требуется для поддержания интенсивного нагрева увлажненных семян. Другим недостатком является то, что за малое время влага не успевает проникнуть внутрь семян, остается в поверхностном слое и не может иметь значительного влияния на происходящие в них биохимические процессы [95].

Известна установка для сушки растительных продуктов с конструктивными особенностями в виде радиационных ИК излучателей средней области спектра, отражателей и корпусных щелей для циркуляции воздуха [97]. К недостаткам сушилки относится расположение греющих источников, не обеспечивающее равномерного распределения энергии излучения по обрабатываемой поверхности. Для снижения риска подгорания сырья необходимо уменьшать количество подводимой энергии, что снижает интенсивность обработки и ухудшает технико-экономические показатели процесса [119].

Помимо ИК сушилок в зерновой промышленности используются устройства на основе СВЧ полей. Жарка семян в СВЧ печах происходит при температуре 100–110°C и экспозиции 6–9 минут. При этом не удается подавить фермент уреазу; необходимая для его разрушения минимальная температура составляет 130°C. СВЧ метод, также, дорогостоящ [86]. Стоимость одного квтч эффективной мощности с учетом КПД (0,39 для семян сои), ресурса и стоимости генераторов излучения в 100 раз больше, чем для ИК метода [45].

Известно приспособление для ГТО семян шахтного типа, состоящее из загрузочного и разгрузочного бункеров, дозатора и сушильной камеры, оборудованной СВЧ генератором и волноводно-щелевым возбудителем. Данное устройство хорошо подходит для работы с бобовыми культурами, однако, характеризуется низким КПД и высокой энергоемкостью [106]. В одном из вариантов микроволновой установки предусматривается вращающийся барабан, внутри которого размещен СВЧ генератор с системой излучателей и отражателей. Устройство обеспечивает быструю тепловую обработку, но при этом его недостатком является то, что высокая степень загрузки барабана обусловливает полное поглощение высокочастотного излучения поверхностным слоем продукта. В свою очередь это вызывает значительный внутренний перепад температур и ведет к неравномерности обработки [108]. В соответствии с другим решением материал обрабатывается в устройстве, состоящим из генератора излучения, камеры-резонатора и ленточного транспортера, изменяя скорость которого, можно регулировать длительность процесса обработки [107]. Недостатком данной схемы является наличие у обрабатываемого продукта только одной плоскости, принимающей участие в активном теплообмене. Другая плоскость в это время сопряжена с конвейерной лентой и не подвергается интенсивному нагреву, что существенно снижает качество обработки и влечет необходимость ее многократного повторения [102].

На рисунке 1 представлена характеристика рассмотренных типов оборудования для ГТО семян сои. Как следует из соотношения производительности и мощности, для части оборудования характерна высокая производительность с соответствующим коротким рабочим циклом, недостаточным для разрушения теплоустойчивых ингибиторов. В это же время оставшейся, более эффективной части оборудования свойственна низкая производительность, сопровождаемая значительными затратами энергии. Таким образом, ни в одном из случаев не достигается рационального соотношения технологических параметров оборудования при переработки семян сои.

Рисунок 1 – Характеристика некоторых типов оборудования для ГТО Таким образом, анализ наиболее распространенных методов тепловой обработки семян сои свидетельствует о присущей им низкой эффективности нагрева, высокой энергоемкости, а также неспособности к эффективной нейтрализации вредных белков-ингибиторов. Там, где последнего все же удается добиться, комплексное действие высокой температуры и влажности приводит к гидролизу жиров, упрочнению структуры зерна и ухудшению органолептических показателей продукта [163].

Анализ состояния комбикормовой и животноводческой отрасли, оценка химического состава и свойств регулярных кормовых культур, их экономической эффективности в плане производства и переработки на существующем и перспективном оборудовании позволяют сделать следующее заключение:

Переваримость белка определяется его способностью к растворению, зависящей в свою очередь от возможности функциональных групп вступать в химические реакции, а также от их пространственной доступности. Денатурация вызывает изменение положения функциональных групп, а сопутствующая этому процессу высокая температура обусловливает риск их теплового повреждения с утратой реакционной способности. В результате растворимость и переваримость белка снижаются.

Белок составляет основу жизнедеятельности животных. Средняя потребность в белке – 500–1500 г/сут. Нехватка белка ведет к убыткам при производстве сельскохозяйственной продукции.

Так как выработка белка на основе переработки продуктов животноводства не может существовать самостоятельно, а искусственный синтез белка затруднен, то перспективным путем решения белковой проблемы следует считать производство и переработку растительного сырья.

По кормовой ценности и экономической эффективности соя не имеет конкурентов среди регулярных сельскохозяйственных культур. Это делает производство и переработку сои одним из главных способов устранения дефицита кормового белка.

Перед скармливанием семена сои требуют обработки, позволяющей эффективно снизить активность ингибиторов пищеварительных ферментов и тем самым существенно улучшить пищевые достоинства белка. Основными способами подготовки сои стали тепловая и химическая обработка.

Анализ наиболее распространенных методов тепловой обработки сои свидетельствует о присущей им низкой эффективности нагрева, высокой энергоемкости, а также неспособности к эффективной нейтрализации вредных белков-ингибиторов. Там, где последнего все же удается добиться, комплексное действие высокой температуры и влажности приводит к гидролизу жиров, упрочнению структуры семян и ухудшению органолептических показателей продукта.

Вследствие использования композитных реагентов рассмотренные способы подготовки семян сои характеризуются сложностью. Необходимость удаления следов химических веществ обусловливает проведение дальнейшей обработки сырья, что увеличивает себестоимость конечного продукта. Способы, содержащие фазу бесконтактного нагрева, в силу специфики последнего также являются комбинированными и вследствие этого – дорогостоящими.

В связи с данным заключением по состоянию вопроса переработки семян сои и сформулированной цели в диссертационной работе предусматривалось решение следующих задач:

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.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ СОЕВЫХ

ИНГИБИТОРОВ НА ПРОЦЕСС ПИЩЕВАРЕНИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТИ

ИХ ЭКСТРАГИРОВАНИЯ

Подобно другим видам белка, соевый белок всасывается в кровь в виде свободных аминокислот [22, 198]. Эти соединения образуются в процессе разложения полипептидной цепи при ее взаимодействии с водой [140]. В организме животного данная реакция может начаться только в присутствии ферментов – особых веществ, катализирующих химическое взаимодействие [20].

Участок молекулы фермента, непосредственно взаимодействующий с белком, называется активным центром. Активный центр сформирован таким образом, что в нем постоянно присутствует избыточная электронная плотность. Благодаря этому молекула фермента легко притягивается и вступает в химическую реакцию с белком. Так, активный центр фермента трипсина сформирован валином, изолейцином, гистидином и серином, рисунок 2. Пара последних аминокислот формирует нестабильную связь из-за чего на одном из соседних атомов кислорода возникает избыточный положительный заряд.

Рисунок 2 – Строение активного центра молекулы трипсина Блокировка избыточного электрона влечет утрату биологической активности фермента, в результате чего он не может принимать участие в расщеплении белковой молекулы. На рисунке 3 показан механизм такой блокировки, наблюдаемый при взаимодействии молекулы химотрипсина с веществом из категории нервных ядов – диизопропилфторфосфатом (ДФФ).

Рисунок 3 – Ингибирование химотрипсина с помощью ДФФ В соответствии с рисунком 3, атом фосфора в молекуле ДФФ притягивается группой OH серина, образуя с ней устойчивую связь. Таким образом, соединившись с гидроксильной группой, ДФФ нарушает электронный баланс активного центра, лишая фермент каталитической активности.

Аналогичным образом влияют на протеазы некоторые вещества, содержащиеся в сырых семенах сои: водорастворимый ингибитор Кунитца и спирторастворимый – Баумана-Бирка. Молекула первого имеет массу атомных единиц массы (а. е. м.), содержит 181 аминокислотный остаток, дисульфидные связи и связывает 1 молекулу трипсина. Ингибитор БауманаБирка обладает массой в 8000 а. е. м., представлен 71 аминокислотным остатком и одновременно может связать 2 молекулы ферментов обоих видов.

Массовое отношение водно- и спирторастворимой групп составляет примерно 2,3:1, в соответствии с чем до 90% ингибиторной активности приходится на долю водорастворимых соединений. Конечным результатом совокупного действия ингибиторов является снижение усвояемости белка в 4–5 раз [13, 43, 55].

С удалением ингибитора реакция гидролиза восстанавливается. На рисунке 4 показан ход данного взаимодействия между активным центром фермента химотрипсина и белковым субстратом, образованным аминокислотами тирозином и изолейцином.

Рисунок 4 – Взаимодействие активного центра химотрипсина с Как следует из рисунка 4, в расщеплении субстрата участвуют радикалы аспарагин (Асп102), гистидин (Гис57) и серин (Сер195). Вначале два последних остатка образуют нестабильную водородную связь H---N, вызывающую избыточную электронную плотность на атоме кислорода. Далее, вследствие нуклеофильного замещения, между аминокислотами разрывается связь C–N.

Установившаяся связь между гистидином и серином так же теряется, а сами радикалы оказываются присоединенными к тирозину и изолейцину соответственно. Выделение первого продукта распада (свободного тирозина) происходит по достижении им электронейтральности, при этом связанный с ним радикал выступает в роли донора протонов. Для продолжения реакции необходимо наличие молекулы воды: притянутая остатком гистидина, она возвращает ему утраченный протон, а сама становится отрицательно заряженным ионом гидроксила OH– который затем соединяется с углеродом изолейцина. Вследствие этого остаток серина восстанавливается протоном, его связь с углеродом теряет устойчивость и разрушается. Происходит выделение второго продукта распада – свободного изолейцина. Радикалы гистидин и серин вновь связываются друг с другом, завершая, таким образом, расщепление белка и регенерируя активный центр фермента [14].

Таким образом, скармливание животным необработанной сои приводит к гипертрофии поджелудочной железы вследствие необходимости выделения большого количества пищеварительных ферментов, аномально большой нехватке серосодержащих аминокислот, задержке развития, снижению приростов. Нерасщепленные белковые комплексы проходят желудочно-кишечный тракт транзитом, ускоряя перистальтику кишечника, что ведет к диарее [165].

Ингибиторы представляют собой запасенное в растительных клетках растворимое кристаллическое вещество, рисунок 5, а). Поскольку семена сои как на макро, так и на микроуровне характеризуются большим количеством пор, рисунок 5, б), в) [189], то ингибиторы могут быть экстрагированы, с повышением кормовой ценности сырья [59].

Рисунок 5 – Кристаллы белка и поры в оболочке сои Экстрагирование включает фазы: 1) подвод растворителя к семенам; 2) проникновение растворителя внутрь; 3) растворение ингибиторов; 4) диффузия растворенных ингибиторов к внутренней границе раздела фаз; 5) переход растворенных ингибиторов во внешнюю среду [91, 138, 139]. Насыщение растительных тканей растворителем происходит по механизму капиллярной пропитки [197]. Скорость течения жидкости в данном случае подчиняется соотношению, полученному на основе закона Пуазейля и зависит от размеров капилляра, вязкости используемой жидкости, движущего давления [9, 159]:

где lк – длина капилляра, м;

tп – время пропитки, с;

Pд – движущее давление, Па;

rк – радиус капилляра, м;

– коэффициент, учитывающий влияние пористой структуры семян сои на движение жидкости в капилляре;

– вязкость жидкости, Па·с.

Влияние пористой структуры на эффективность экстрагирования складывается из: 1) удлинения пути диффузионного потока вследствие извилистости капилляров; 2) затруднения течения потока внутренними элементами капилляра; 3) воздействия потенциального поля стенок пор на прилегающие слои жидкости, что образует адсорбционный слой молекул ингибиторов [1].

Время полного растворения частицы находится из соотношения, полученного на основе закона кинетики растворения А. Н. Щукарева:

где l0 – начальный размер частицы, м;

tр – время растворения частицы, с;

– коэффициент пропорциональности, зависящий от формы частицы;

c – коэффициент массоотдачи;

’ – коэффициент порозности обрабатываемого материала;

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.

Поскольку движущаяся жидкость и растворяющееся вещество контактируют между собой лишь в начальный момент времени, в основе их дальнейшего взаимодействия лежат диффузионные процессы [49]. Время диффузии растворенного вещества находится из соотношения, полученного на основе уравнения А. Н. Щукарева для массопередачи [48]:

где tд – время диффузии растворенного белка, с;

mс – полная масса сырья, кг;

– коэффициент, учитывающий вновь образованную площадь при измельчении;

c’’ – концентрация в принимающей фазе, кг/м3.

В итоге на экстракцию будет затрачено совокупное время:

где tэ – время экстракции ингибитора, с.

Отнеся массу ингибиторов к времени оценим скорость процесса:

где Iэ – скорость экстрагирования ингибитора.

Из выражений (1–3) следует, что с позиций производственной целесообразности, повышения эффективности экстрагирования, общего снижения издержек значение Iэ может быть увеличено за счет ускорения пропитки сырья растворителем, снижения времени на растворение и диффузию ингибиторов.

Как показывает выражение (1), скорость пропитки увеличивается с ростом давления и сокращением длины капилляров. Последнее достигается измельчением сырья и также влияет на скорость растворения, которая, как следует из (2), определяется линейными размерами частиц. Также скорость растворения и диффузии зависит от коэффициента c и насыщения раствора. Таким образом, процесс экстрагирования будет наиболее эффективным при высоких значениях давления Pд и низкой концентрации раствора.

Экстрагирование может вестись как периодический процесс в замкнутом аппарате, рисунок 6, а), непрерывный противоточный процесс, рисунок 6, б) или как процесс в неподвижном слое, рисунок 6, в) [137].

В первом случае соотношение (5) после выражения общего времени через формулы (1–4) примет вид:

где – скорость периодического экстрагирования в аппарате замкнутого типа, кг/с;

Экстрагирование по данному способу характеризуется низкой скоростью, поэтому, в целях ускорения, основной процесс совмещают с перемешиванием [179]. Прямоточная схема обычно состоит из 3–6 ступеней, позволяющих достигнуть более высоких степеней извлечения целевого вещества.

При этом комплекс технологических фаз пропитки сырья, растворения и вывода ингибиторов полностью проходит только в первом аппарате, продолжаясь во всех последующих. В соответствии с этим выражение (4) примет вид:

где – время пропитки, растворения и диффузии в первом аппарате, – время растворения и диффузии во втором аппарате, с;

– время растворения и диффузии в n-ом аппарате, с.

Выразив время через формулы (1–3) по соотношению (5), можно найти скорость экстрагирования в блоке аппаратов количеством n с прямотоком фаз:

где – скорость экстракции в блоке аппаратов с прямотоком фаз, кг/с;

– время экстрагирования в первом аппарате, с;

n – число аппаратов в блоке;

– масса белка, экстрагируемая за цикл обработки.

Развитием прямоточной схемы является экстрагирование, основанное на противотоке фаз и, в силу этого, имеющее следующие особенности:

жидкость, движущаяся навстречу обрабатываемому материалу, создает значительное гидродинамическое давление, что ускоряет фазу пропитки;

из-за постоянного притока свежего растворителя, концентрация раствора c в районе его взаимодействия с обрабатываемым материалом близка к нулю, что ускоряет фазы растворения и диффузии.

Исходя из этого выражение (5) для противоточной схемы примет вид:

где – скорость экстрагирования в противоточном аппарате кг/с;

Противоточный метод обеспечивает более четкое разделение фаз, что говорит о его большей эффективности [15]. Разновидностью противотока является экстрагирование в неподвижном слое, когда относительное движение совершает только растворитель. Во всех случаях отработанный растворитель восстанавливают путем отделения от него твердой фазы на фильтрах, центрифугах или в отстойниках, после чего используют вторично [87].

Проведенный анализ показывает, что требованиям высокого давления в рабочей зоне и низкой концентрации раствора наилучшим образом удовлетворяет экстрагирование, осуществляемое по принципу противотока. В виду того, что при экстрагировании в неподвижном слое требуется обеспечить движение только жидкой фазы, именно эта схема может быть рекомендована как наиболее простая и эффективная.

2.3 Интенсификация процесса экстрагирования Перспективным средством интенсификации остаются акустические колебания в жидкой среде [12, 150]. Возникающее в результате этого переменное давление обусловливает перенос извлекаемого вещества за счет конвекции. Поскольку конвективная диффузия обеспечивает более быстрый массообмен, эффективный коэффициент диффузии растет, что позволяет сократить продолжительность экстрагирования [73]. Кавитация, возникающая в жидкости при прохождении акустической волны, также обусловливает рост движущего давления, ускоряющий фазу пропитки. Ударные волны, образованные сократившейся полостью, приводят к мгновенному увеличению скорости обтекания растворяющихся частиц жидкости, повышая тем самым коэффициент массоотдачи.

Экстрагирование ингибиторов из семян сои может осуществляться по схеме, рисунок 7, где 1 – выгрузной патрубок; 2 – съемное дно; 3 – излучатель ультразвука; 4 – цилиндрический корпус; 5 – загрузочный лоток; 6 – мешалка; 7 – патрубок вывода жидкости; 8 – фильтр; 9 – патрубок подачи жидкости; 10 – выгрузное устройство.

Рисунок 7 – Устройство для ультразвуковой обработки зерна Устройство работает следующим образом: рабочий раствор подается через патрубок 9, сырье – посредством лотка 5. Перемешивание происходит в корпусе 4, оснащенным излучателями ультразвука 3, расположенными по диагонали напротив друг друга под углом, что позволяет продуцировать интенсивную кавитацию во всем объеме рабочей области устройства. Длительность цикла обработки – 20 минут. Продукт скапливается в нижней части устройства и выгружается через патрубок 1, снабженный выгрузным устройством 10. Результатом обработки является улучшение химикобиологических свойства семян за счет снижения в них ингибиторной и ферментативной активности.

Интенсификация экстрагирования в ультразвуковом поле достигается за счет следующих факторов: 1) ускорение диффузии взаимодействующих веществ на границе раздела фаз и переноса жидкости внутрь семян; 2) нарушение коллоидных структур в примыкающем слое и уменьшение вязкости в объеме среды [162]. Таким образом, при экстрагировании в кавитирующей жидкости возможно многократное повышение эффективности процесса [151].

Распространение ультразвука связано с переносом энергии, для количественной оценки которого нужно знать кинематические параметры акустического поля [181]: смещение колеблющихся частиц относительно положения покоя, их скорость и ускорение; частоту, длину и скорость волны [36].

Мгновенное смещение колеблющегося тела относительно состояния равновесия в любой начальный момент времени находится по выражению:

где – амплитуда максимального смещения, м;

Скорость, амплитуда скорости V, ускорение b, и амплитуда ускорения B колеблющейся материальной точки находятся по следующим выражениям:

Скорость звуковых волн в жидкостях c находится из выражения:

где Kад – коэффициент адиабатической сжимаемости ();

– плотность жидкости кг/м3.

Скорость распространения волны, ее частота связаны с длиной волны:

где f – частота волны, Гц.

Акустическое поле имеет форму, показанную на рисунке 8.

Рисунок 8 – Расчетная форма ультразвукового поля Длина зоны z1 и угол раскрытия конуса находятся по формулам:

где d – диаметр поверхности излучателя, м.

Интенсивность ультразвука зоне z1 неравномерна и имеет точки минимума и максимума. Расстояние от излучателя до последнего максимума rmax, после которого интенсивность монотонно убывает находится из выражения:

Значения, рассчитанные по формулам (10–19) для гармонической волны с A = 5·10–6 м и f = 18·103 Гц для времени t = 1 с приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Кинематическая характеристика ультразвукового поля С распространением волны частица среды совершает колебания относительно положения равновесия с некоторой скоростью, что сопровождается периодическим изменением давления в окрестности частицы. В точке последнего максимума величина звукового давления Pз плоской синусоидальной акустической волны при заданном времени t определяется выражением:

Полное давление Pпол в рассматриваемой точке при заданном времени находится по следующему выражению:

где P0– давление в среде при отсутствии ультразвукового поля, Па.

Во время волнового движения от источника колебаний происходит распространение энергии. Полное среднее значение энергии E ультразвуковой волны в единице объема находится по выражению:

Количество энергии J, переносимое волной за единицу времени через единицу площади находится из выражения:

Полная энергия, излучаемая источником в единицу времени через некоторую известную площадь W определяется по формуле:

Одна из важнейших акустических характеристик среды – коэффициент затухания 0, показывающий убыль амплитуды колебания частиц с удалением от излучателя. На 0 влияют геометрическое рассеяние звукового пучка и энергетические потери ультразвуковой волны вследствие ее поглощения средой.

Коэффициент 0 увеличивается с ростом частоты и зависит от свойств и состояния вещества, в котором распространяется волна [3]. В жидких средах коэффициент 0 пропорционален их вязкости и квадрату частоты колебаний:

где – динамический коэффициент вязкости, Пас.

Зная коэффициент 0, в последнем максимуме можно рассчитать амплитуду колебания частиц Armax и интенсивность Jrmax волны согласно уравнениям:

где e – число Непера (e = 2,72).

Значения, рассчитанные по формулам (20–27) приведены в таблице 4.

Таблица 4 – Динамические характеристики ультразвукового поля Параметр Размерность Значение Параметр Размерность Значение При прохождении интенсивной акустической волны в жидкости возникают периодические зоны сжатия и разряжения, обусловливающие разрывы сплошной среды (явление кавитации). Теоретическое давление, необходимое для возникновения в жидкости таких пустот очень высоко и, в зависимости от типа жидкости, может достигать нескольких десятков тысяч атмосфер [186]. В реальности же, давление, при котором наблюдается кавитация, во много раз ниже и соответствует давлению насыщенного пара для данной жидкости [153]. Причина этого в том, что локальная прочность жидкости снижена из-за присутствия в ней парогазовых микропузырьков и различных твердых частиц с радиусом ~10–6 м (ядра кавитации). Под действием внешнего звукового поля радиус ядра увеличивается до некоторой максимальной величины Rmax, по достижении которой резко уменьшается до некоторого значения Rmin. Значения Rmax и Rmin могут быть найдены из выражений [2]:

где – параметр газосодержания ( = 0,025).

Ударная волна, излученная сжавшейся полостью, быстро затухает в пространстве. По Рэлею, максимальное давление Pуд в такой волне наблюдается на расстоянии ~1,6R от центра сомкнувшейся полости и составляет:

При захлопывании стенки полости движутся со скоростью U, м/с:

где R – мгновенный радиус захлопывающейся сферы, м.

Полное время t захлопывания полости находится из выражения:

Максимальная температура Tmax парогазовой смеси в момент захлопывания пузырька находится из выражения:

где T0 – абсолютная температура окружающей жидкости, К.

Л. Д. Розенберг отмечает [162], что эффективность массообменных процессов в ультразвуковом поле (без кавитации) может быть наглядно показана отношением коэффициента массообмена с поверхности шарообразного тела под влиянием колебаний уз к аналогичному коэффициенту с поверхности того же тела в обычном однонаправленном потоке независимо от звука п:

где – кинематическая вязкость, м2/с.

Физическая характеристика кавитационной полости дана в таблице 5.

Таблица 5 – Физическая характеристика кавитационной полости Параметр Размерность Значение Параметр Размерность Значение Формулы (1) и (21) позволяют оценить повышение эффективности пропитки зерновой массы в поле акустических ультразвуковых волн. Поскольку скорость пропитки при равных вязкости жидкости, диаметре и длине капилляра зависит только от величины движущего давления, то отнеся гидродинамическое давление в поле ультразвуковых волн (Pпол = 1,01·106) к гидростатическому (Pатм = 1,01·105) находим, что эффективность пропитки возрастает примерно в 10 раз.

Ингибиторы соевых семян обладают способностью связывать ферменты пищеварительного тракта, что в итоге препятствует усвоению белка. При экстрагировании растворимых ингибиторов из семян сои на скорость процессов пропитки, растворения и диффузии влияют величина давления в рабочей зоне, а также – степень насыщенности раствора. Процессы растворения и экстрагирования могут осуществляться периодически или непрерывно по прямоточной или противоточной схеме, а также в неподвижном слое. Массообменный процесс, основанный на противоточном экстрагировании в относительно неподвижном слое, является наиболее рациональным. Ускорение экстрагирования возможно за счет ряда мер, принимаемых как на стадии подготовки, так и во время активной обработки сырья. К наиболее эффективным устройствам интенсификации относятся акустические излучатели, продуцирующие в жидкости режимы развитой кавитации и активных акустических течений, благодаря чему резко ускоряются процессы пропитки, растворения и диффузии кристаллов ингибитора. Эффективность экстрагирования в поле акустических ультразвуковых волн при этом возрастает примерно в раз.

3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Основные показатели качества семян определены по ГОСТам 10854- «Семена масличные. Методы определения сорной, масличной и особо учитываемой примеси» [25], 27988–88 «Семена масличные. Методы определения цвета и запаха» [32], 10856–96 «Семена масличные. Метод определения влажности» [26], 10853–88 «Семена масличные. Метод определения зараженности вредителями» [24]. В итоге принято решение о соответствии семян требованиям ГОСТа 17109–88 «Соя. Требования при заготовках и поставках»

[30].

Химический анализ исследуемого материала осуществлен в соответствии с ГОСТами 13979.2–94 «Жмыхи, шроты и горчичный порошок. Метод определения массовой доли жира и экстрактивных веществ» [27], 13979.3– «Жмыхи и шроты. Метод определения суммарной массовой доли растворимых протеинов» [28], Р 52839–2007 «Корма. Методы определения содержания сырой клетчатки с применением промежуточной фильтрации» [33].

Степень ферментативной активности устанавливалась по ГОСТ 13979.9– 69 «Жмыхи и шроты. Методика выполнения измерений активности уреазы»

[29]. Тормозящее действие ингибиторов определялось согласно казеинолитическому методу М. Л. Какейда (в модификации И. И. Бенкен), основанному на сравнении протеолитической активности растворов фермента в присутствии ингибитора и без него [41, 149].

Вязкость водно-соевой суспензии, как одно из главнейших свойств текучих полимерных систем [182] устанавливали с помощью ротационного вискографа. Рациональные параметры предлагаемой обработки находили исходя из соответствия результатов требованиям кормовой технологии и ГОСТов 27149–95 «Жмых соевый кормовой. Технические условия» и Р 53799– 2010 «Шрот соевый кормовой тостированный. Технические условия» [31, 34].

По принятой в диссертационной работе программе исследований обработка результатов опытов осуществлена стандартным методом регрессионного анализа данных [70].

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Основной целью подготовки семян сои к скармливанию является снижение в них активности ингибиторов протеаз, а также – фермента уреазы до норм, регламентируемых кормовой технологией и стандартами: ГОСТ 27149–95 «Жмых соевый кормовой. Технические условия», ГОСТ Р 53799– 2010 «Шрот соевый кормовой тостированный. Технические условия» [31, 34]. Согласно проведенным исследованиям, активность фермента уреазы в семенах сои снижается за счет окисляющего действия пероксида водорода [132], а количество активного ингибитора – за счет его интенсивного экстрагирования водой в поле ультразвуковых волн. Основными факторами, определяющими эффективность такой обработки, являются: степень измельчения семян, концентрация окислителя в рабочем растворе, расход раствора, экспозиция процесса, частота и мощность ультразвукового излучения [56, 57, 60].

4.1 Исследование степени измельчения обрабатываемых семян Опираясь на данные, полученные в результате теоретических исследований, можно утверждать, что от выбора степени измельчения перерабатываемого сырья во многом зависят такие технологические показатели, как эффективность обработки приготовленной на его основе суспензии, обусловленное этим качество конечного продукта и его общий выход. В переработанном материале, прошедшем измельчение, как физическим, так и химическим видам обработки в дальнейшем становятся доступными выделенные вещества, ранее находившиеся внутри твердой фазы и в силу слабой доступности не имевшие выраженной возможности принимать участие в массообменных процессах, протекающих на границе гетерогенных сред. Кроме того, технологическая операция измельчения приводит к резкому увеличению площади поверхности фазового контакта действующих масс, что позволяет обеспечить равномерный и, следовательно, рациональный расход используемого активного вещества, воды и энергии, идущей на поддержание суспензии во взвешенном состоянии.

Применительно к процессу подготовки семян сои, операция измельчения при обработке сырья пероксидом водорода обеспечивает легкий доступ окислителя к ферменту уреазе. Аналогичным образом, за счет повышения доступности растворимых форм ингибиторов, существенно возрастает эффективность их экстрагирования.

С другой стороны, при высоких степенях измельчения интенсифицируется взаимодействие используемых реактивов с рядом нецелевых компонентов: запасными белками, жирами, углеводами. Так, при перекисной обработке в семенах сои неизбежно происходит окисление не только уреазы, но и некоторой части полезного белка. В свою очередь при экстрагировании ингибиторов указанный белок также начинает растворяться и переходить во внешнюю среду, что снижает количество белка и ухудшает кормовые достоинства вырабатываемого продукта. В связи с этим актуальны исследования, направленные на установление такой степени измельчения, которая с одной стороны позволяла бы осуществлять эффективную обработку материала, а с другой – сохраняла бы его полезные свойства.

Данные исследования проводились по специально разработанной схеме опыта, в соответствии с которой из предварительно подготовленной средней пробы семенного материла были сформированы четыре навески массой 50 г, при этом семена первой навески были оставлены целыми, а степень измельчения трех других составила 0,5, 0,1 и 0,05, что соответствует степени измельчения при грубом дроблении, а также – грубом и среднем помоле, предпочтительным в кормовой технологии. Измельченный материал подвергался воздействию раствора пероксида водорода.

Необходимо отметить, что ввиду зависимости эффективности процесса обработки семян от концентрации окислителя, для получения наиболее достоверных результатов, влияние указанного фактора должно быть минимизировано. Данный эффект был достигнут за счет использования окисляющего раствора с наименьшей из рабочих концентраций, значение которой было определено экспериментально и составило примерно 3%. Для приготовления раствора с такой концентрацией исходную 27,5% смесь разбавили 8-кратным объемом дистиллированной воды. Кроме того, подготовленные и измельченные до различной крупности пробы семян обрабатывались избыточным количеством раствора, что позволило поддерживать его постоянную концентрацию вблизи твердой частицы и тем самым сделать скорость диффузии окислителя в семена зависимой только от площади их внешней поверхности.

Обработанное сырье высушивалось при комнатной температуре в течение суток до принятой при заготовках и поставках влажности 12%. Остаточную активность уреазы в обработанных пробах определяли по ГОСТ 13979.9– «Жмыхи и шроты. Методика выполнения измерений активности уреазы»

[57]. Результаты проведенных исследований приведены в таблице 6.

Таблица 6 – Влияние степени измельчения на содержание в семенах сои Степень По данным таблицы 6 для каждого из исследуемых сортов соевых семян построены графические зависимости, отражающие связь между содержанием активной уреазы и принятыми степенями измельчения, рисунок 9.

Из графиков видно, что падение содержания активного фермента в 1, раза наблюдается при степени измельчения зерна, равной 0,1. Это объясняется тем, что при высоких степенях измельчения длина капилляров внутри пористой частицы значительно сокращается, а суммарная площадь ее внешней поверхности резко увеличивается. Таким образом, обширная площадь контакта в совокупности с незначительным размером отдельной частицы обрабатываемого материала приобретает существенное влияние на скорость пропитки и, как следствие, эффективность окисления фермента уреазы.

Рисунок 9 – Содержание активной уреазы в исследуемых сортах соевых семян в зависимости от степени их измельчения Из рисунка 9 следует, что при обработке исследуемых материалов раствором пероксида водорода во всех случаях наблюдается прямо пропорциональное снижение содержания активного фермента уреазы, характеризующееся различной степенью конечной эффективности. При этом, как из-за специфики анализируемого режима обработки, так и в силу физикомеханических особенностей того или иного вида растительного сырья, задействованного в эксперименте, данный процесс протекает неравномерно, а развивается с множественными перепадами скорости, обычно соответствующими либо фазовому переходу в биохимических свойствах окисляемого фермента, либо изменению исследуемого технологического параметра, т. е., в данном случае – увеличению степени измельчения. Так, для сортов Злато и Соер-5 описываемая зависимость в виду резких колебаний кривой может рассматриваться с позиции гармонического закона, тогда как для кривых, характеризующих сорта Бара и Соер-4 справедливым является линейный закон по причине относительно постоянной скорости падения содержания активной уреазы.

На кривой, описывающей изменение ферментативной активности в семенах сои сорта Злато, присутствуют 3 перегиба, позволяющие выделить участка в пределах которых исследуемая зависимость характеризуется различным тангенсом угла наклона касательной, что дает возможность косвенно судить о скорости окисления фермента на каждом из индивидуальных этапов обработки. Аналогичные перегибы и области содержатся и на остальных графиках, благодаря чему, после нахождениях соответствующих градусных мер и следующих из них тангенсов, таблица 7, может быть дана оценка интенсивности процесса окисления.

Таблица 7 – Углы наклона касательных и их тангенсы для кривых при Сорт Как следует из таблицы 7, наибольшая скорость окисления уреазы по всем сортам наблюдается на 1-ом и 3-ем участках. В результате, уже на начальном этапе обработке в семенах сои сорта Злато отмечается снижение уреазной активности на 10,3%, Бара – 5,7%, Соер-4 – 9,5% и Соер-5 – 11,6%.

В промежутках между указанными областями отмечаются периоды выраженной стагнации, когда скорость нейтрализации фермента резко замедляется. Так, на втором участке для сорта Злато содержание активной уреазы снижается на величину, равную 6,8% от ее начального содержания, для остальных же сортов данный показатель составляет всего 1,3, 0,9 и 0,8% соответственно. На следующем участке вновь происходит ускорение, приводящее к значительному окислению фермента: 16,7, 4,9, 6,8 и 12,6%. В дальнейшем процесс развивается по зависимости, близкой к линейной и показывает следующие значения по испытуемым сортам: 3,4, 1,8, 3,2 и 3,9%. В совокупности, на всех этапах обработки ферментативную активность в соответствующих сортах удается снизить на 37,3, 13,7, 20,4 и 29,0%.

Таким образом, снижение активности уреазы в среднем на 25% наиболее выгодным образом достигается при измельчении семян до крупности помола 0,1–0,05 при котором размеры фрагментов составляют 2,5·10–4–5·10–4 м. Как отмечалось выше, эффективное подавление фермента в этом случае объясняется увеличением суммарной площади поверхности семян при их дроблении.

Молекулы уреазы, находившиеся внутри семян, после проведения операции измельчения оказываются на внешних сторонах дробленки и получают возможность взаимодействовать с окислителем. Дальнейшее измельчение семян не оказывает существенного влияния на эффективность обработки: тенденция к снижению содержания активного фермента падает. Основная причина этого заключается в израсходовании активного вещества рабочего раствора, а также – в его замедленном проникновении в быстро набухающие мелкие зерновые фрагменты, все еще содержащие значительное количество уреазы.

Поскольку регламентируемая ГОСТами 27149–95 и 53799–2010 степень содержания данного фермента остается не достигнутой, актуальны исследования по дальнейшему снижению его активности.

4.2 Нахождение концентрации окисляющего раствора Аналогично выбору степени измельчения, рационально подобранная концентрация также имеет важное значение для повышения технологической эффективности процесса обработки семян сои. Согласно выражениям (2) и (3) концентрация, характеризующая количество извлекаемого или активного вещества в рабочем растворе представляет один из основных параметров, определяющих скорость течения гетерогенных реакций в ходе различных массообменных взаимодействий. Дополнительное значение указанный параметр приобретает во время химической обработки, когда при постоянной скорости реакции от концентрации зависит не только полнота превращений целевого компонента, но и качество прочих составляющих, в той же степени подверженных химическому воздействию.

При обработке семян сои с увеличением концентрации окислителя в рабочем растворе растет эффективность процесса нейтрализации фермента уреазы. В это же время, при излишне высокой концентрации пероксида водорода наблюдается его взаимодействие с другими компонентами растительного сырья, что приводит к ухудшению его органолептических показателей.

В связи с этим особую важность приобретают исследования, направленные на поиск концентрации, с одной стороны обеспечивающей подавление уреазы, а с другой – полнее сохраняющей полезные свойства сырья.

В исследованиях по нахождению рациональной концентрации окислителя была использована схема опыта, в соответствии с которой в рабочем растворе для обработки измельченных семян сои использовались смеси, характеризующиеся последовательным увеличением концентрации пероксида водорода, начиная с ее наименьшего эффективного значения, при котором начинается снижение активности фермента уреазы – 3%. Последующие значения показателя концентрации составляли соответственно 6, 9 и 12%, что позволило достигнуть более интенсивного снижения активности фермента.

Результаты данных исследований приведены в таблице 8.

Таблица 8 – Влияние концентрации пероксида водорода в водном Концентрация, % Концентрация, % По экспериментальным данным, представленным в таблице 8 построена графическая зависимость, отражающая связь между параметрами содержания активного фермента уреазы и концентрации пероксида водорода в рабочем растворе, рисунок 10.

Рисунок 10 – Содержание активной уреазы в исследуемых сортах соевых семян в зависимости от концентрации раствора Как следует из рисунка 10, зависимости, описывающие дальнейшую динамику изменения уреазной активности при обработке соевых семян растворами с различной концентрацией окислителя остаются прямо пропорциональными, но, в отличие от предыдущих, носят характер, близкий к линейному, а именно – в них отсутствуют резкие перепады скорости и застойные области, что объясняется некоторой стабилизацией процесса обработки. По этой причине, для характеристики каждого из графиков на них достаточно выделить и проанализировать меньшее количество участков, таблица 9.

Таблица 9 – Углы наклона касательных и их тангенсы для кривых при различных концентрациях окислителя в рабочем растворе Из таблицы 9 видно, что всем сортам кроме сорта Злато присуща скачкообразная динамика снижения уреазной активности: с некоторым первоначальным ускорением, соответствующим обработке 3% раствором, дальнейшим ростом скорости окисления при увеличении концентрации до 6% и замедлением при 9%. Следует отметить, что с последующим ростом концентрации до значения 12% кривая выходит на асимптоту, из чего следует вывод о резком снижении эффективности обработки. Это может быть связано с тем, что использование растворов с повышенной концентрацией обусловливает существенное изменение физико-химических свойств поверхностных слоев растительных фрагментов, вследствие чего замедляется процесс их пропитки активным веществом.

Приросту скорости на начальном этапе соответствуют следующие показатели снижения ферментативной активности от ее начальных значений:

Злато – 35,6%, Бара – 12,8%, Соер-4 – 19,0%, Соер-5 – 27,3%. С увеличением концентрации окислителя активность уреазы продолжает снижаться на величины в 28,8, 29,9, 34,4 и 35,9%. На данной стадии скорость процесса обработки некоторое время остается постоянной, после чего ее среднее значение падает. Активность фермента после этого уменьшается на 17,2, 35,4, 29,4 и 19,9% по соответствующим сортам. При обработке измельченных семян раствором с наибольшей концентрацией удается достичь следующих показателей снижения активности уреазы: 10,7 – для сорта Злато, 12,8 – Бара, 8,1 – Соер-4, 10,8% – Соер-5.

Как видно из цифр, при обработке сырья растворами с концентрацией окислителя от 9 до 12% активность уреазы удается подавить на 81,2–91,9%, что составляет 0,15–0,39 pH. Поскольку в этом случае содержание активного фермента удовлетворяет требованиям ГОСТов 27149–95 и 53799–2010, данный диапазон значений можно использовать на практике. При этом, однако, следует иметь в виду, что обработка растворами с более низкой концентрацией протекает не только быстрей, но и значительно улучшает органолептические показатели соевых семян: цвет зерна приобретает более светлый тон, неприятный бобовый запах исчезает, таблица 10.

Таблица 10 – Изменение органолептических характеристик семян сои после обработки раствором с 3% концентрацией окислителя Отмеченное улучшение органолептических показателей объясняется окислением одорирующих веществ с их дальнейшим превращением в фосфатиды. В виду этого, окончательно к применению на практике рекомендуются растворы с концентрацией 3–6%.

4.3 Нахождение количества окисляющего раствора Как отмечалось выше, основным недостатком подготовки растительного сырья посредством химической обработки является высокий риск вступления в реакцию таких его составляющих, физико-химические свойства которых желательно сохранить в неизменном виде. Так, при обработке семян сои окисляющим раствором с повышенной концентрацией пероксида водорода помимо общего снижения активности фермента уреазы наблюдается интенсивное взаимодействие полезного белка с содержащимися в рабочей смеси реактивными формами кислорода. В результате данного взаимодействия конечный продукт приобретает острый неприятный запах, а его кормовые достоинства оказываются снижены. При использовании же растворов с низким содержанием активного вещества растворимость и биологическая полноценность белка сохраняются на более высоком уровне, однако в этом случае не удается достигнуть эффективного снижения вредной ферментативной активности. В связи с этим, одно из возможных решений описанной проблемы заключается в использовании раствора с пониженным содержанием окислителя, но подаваемом в большем количестве. Положительным эффектом такого подхода является лучшее сохранение полезных свойств сырья.

В исследованиях, направленных на установление потребного количества низкоконцентрированного раствора использовалась специально разработанная схема опыта, согласно которой навески семян сои изучаемых сортов массой 50 г, сформированные из предварительно подготовленной средней пробы соответствующего растительного материала смалывались до ранее установленной эффективной степени измельчения, равной 0,05 и в дальнейшем обрабатывались различными количествами раствора пероксида водорода с целью экспериментального нахождения такого объема впитываемой жидкости, при котором бы наблюдалось наибольшее снижение активности фермента уреазы. Полученные результаты осуществленных исследований приведены в таблице 11.

Таблица 11 – Влияние количества раствора на активность уреазы Количество В соответствии с данными таблицы 11 на рисунке 11 представлен график зависимости ферментативной активности уреазы от количества использованного низкоконцентрированного раствора. Из него видно, что характерной отличительной особенностью графиков, описывающих зависимость ферментативной активности от количества подаваемого окислителя является колебание скорости на завершающем участке, соответствующим обработке избыточным объемом рабочей смеси. В остальном же они ведут себя подобно раннее проанализированным кривым, т. е. имеют некоторый прирост скорости в начале, который в дальнейшем еще более возрастает и стабилизируется, сохраняясь на достигнутом уровне вплоть до указанной области колебаний.

Рисунок 11 – Содержание активной уреазы в исследуемых сортах соевых семян в зависимости от количества раствора Для достижения большей точности, на рассматриваемых графиках было выделено и изучено по 4 участка, таблица 12.

Таблица 12 – Углы наклона касательных и их тангенсы для кривых при различных концентрациях окислителя в рабочем растворе Сорт Из данных, представленных в таблице 12 следует, что для всех исследуемых сортов справедливо утверждение о достаточно высокой эффективности процесса обработки раствором, подаваемом в количестве 40 мл из расчета на массу навески измельченных семян, равную 50 г – участок 1. Степень инактивации фермента уреазы, достигаемая в этом случае принимает значения на 17,6, 12,4, 8,6 и 11,3% меньше соответствующих начальных показателей. Динамика процесса на участках 2 и 3 свидетельствует о том, что с увеличением объема раствора до 80 мл и, далее – до 120 мл, скорость окисления продолжает расти, что говорит о повышении эффективности обработки сначала на 30,0, 27,9, 33,0 и 38,1% от предыдущих значений, а затем – на 38,2, 46,9, 47, и 41,6%. В этой же области обработка раствором пероксида водорода показывает пик своей эффективности, т. к. в дальнейшем скорость процесса резко замедляется: на 4-ом участке, соответствующим обработке раствором объемом 160 мл активность фермента падает лишь на 9,0, 5,8, 0,9 и 1,3%.

В итоге ферментативную активность в обрабатываемых сортах удается снизить на 94,8, 92,2, 90,0 и 92,2%, что соответствует значениям 0,12, 0,16, 0,22 и 0,18 pH. Поскольку данные показатели соответствуют требованиям ГОСТов 27149–95 и 53799–2010, то обработку раствором из расчета 50 г семян на 160 мл раствора, что соответствует массовому отношению 1:3,2 можно рекомендовать к использованию на практике [56].