Разработка технологии переработки зародышей зерна кукурузы и изучение потребительских свойств получаемых продуктов и БАД (стр. 2 )

Для разработки технологических решений по повышению целостности отделяемого зародыша изучали параметрические характеристики очищенной зерновой массы.

Результаты исследований представлены на рисунке 2.

Следует отметить высокую степень дисперсии результатов в объеме выборки, что свидетельствует о значительной разнородности массы зерна кукурузы, как по площади поверхности, так и по форме. Полученные данные свидетельствуют о целесообразности включения в технологическую линию отделения зародыша фотоэлектронных сепараторов, осуществляющих последовательное разделение очищенной массы зерна кукурузы по площади поверхности и по форме.

Рисунок 2 – Параметрические характеристики очищенной массы зерна кукурузы (диаметр или ширина): 1- крупные зерна; 2 – средние зерна; 3 – мелкие зерна

Разработанная технологическая линия выделения зародыша сухим
способом представлена на рисунке 3.

В таблице 4 представлены результаты сравнительной оценки показателей качества зародыша, выделенного по традиционной и разработанной технологиям.

Показано, что разработанная технология и ее аппаратурное оформление позволяет существенно повысить качество выделяемого зародыша, в том числе значительно снизить массовые доли эндосперма (в 3 раза) и оболочки (в 2 раза). Следует отметить более высокое содержание в выделенном по разработанной технологии зародыше масла с меньшей степенью окисленности и с более низким содержанием неомыляемых липидов.

2.4 Разработка технологии комплексной переработки зародыша с получением физиологически ценного масла и БАД. В целях разработки эффективной технологии комплексной переработки зародыша, выделенного сухим способом по разработанной технологии, изучали его химический состав и пищевую ценность в сравнении с зародышем, полученным по традиционной технологии (таблица 5).

 

Таблица 4 – Характеристика зародыша, выделенного сухим способом

Наименование показателя	Значение показателя
Традиционная технология	Разработанная технология
Выход зародышевой фракции, % к исходному сырью	8,6-9,6	10,5-11,4
Массовая доля эндосперма (мучки) в зародыше, % к массе зародыша	10,0-12,0	3,0-3,5
Массовая доля оболочки в зародыше, % к массе зародыша	2,0-3,0	1,2-1,5
Выход чистого зародыша, % к исходному сырью	7,5-8,1	10,0-10,8
Массовая доля масла, выделенного из зародыша, % на сухое вещество	29,7-32,7	33,5-36,1
Кислотное число масла, выделенного из зародыша, мг КОН/г	3,8-4,9	1,9-2,4
Перекисное число масла, выделенного из зародыша, ммоль активного кислорода/кг	2,9-7,3	1,2-2,3
Анизидиновое число масла, выделенного из зародыша	3,7-5,5	1,2-1,9
Массовая доля неомыляемых липидов в масле, выделенном из зародыша, %,	2,30-2,50	1,85-1,97
в том числе: восков и воскоподобных веществ	0,10-0,15	следы

Из данных таблицы 5 видно, что основное отличие зародыша зерна кукурузы, выделенного по разработанной технологии, заключается в значительно меньшем (более, чем в 3,5 раза) содержании крахмала и в большем (более, чем на 2,5%) содержании масла. Следует также отметить большее содержание витаминов, особенно витамина Е, в зародыше, выделенном по разработанной технологии.

Анализ производственной практики извлечения масла из кукурузного зародыша, выделенного сухим способом, показал низкую эффективность отжима масла на традиционных шнековых прессах. В связи с этим нами предложено осуществлять прямую экстракцию масла при оптимизации предварительной подготовки экстрагируемого материала.

Таблица 5 – Химический состав и пищевая ценность зародыша,

выделенного из зерна кукурузы сухим способом

Наименование показателя	Значение показателя
Традиционная технология	Разработанная технология
Массовая доля, %:
влаги и летучих веществ	8,3	8,3
масла	31,2	34,8
белка	18,8	19,3
крахмала	9,5	2,7
целлюлозы	5,2	5,0
пентозанов	3,9	3,7
водорастворимых углеводов	7,5	8,2
золы	7,5	7,7
Содержание витаминов, мг/100г:
Е	16,40	23,21
В1 (тиамин)	0,33	0,40
В4 (холин)	60,32	68,15
В6 (пиридоксин)	0,42	0,47
В9 (фолиевая кислота)	22,18	25,20
РР (ниацин)	2,87	3,10
Н (биотин)	17,45	18,64
β-каротин (провитамин А)	0,23	0,34

Детальные исследования влияния режимов подготовки зародыша к извлечению из него масла проводились , и .

Однако, учитывая существенную разницу в составе гидрофильной части отделенного зародыша, обусловленную, как изменением ботанических характеристик исходного сырья, так и влиянием разработанной технологии, уточняли режимы влаготепловой обработки зародыша. При этом, учитывая высокую физиологическую ценность зародыша, одновременно с извлечением физиологически ценного масла, решали задачу получения пищевого шрота с последующим его использованием в качестве сырья для производства БАД. В связи с этим, в качестве экстрагента было предложено использовать этанол с объемной долей этилового спирта 96,2%. Для сравнения осуществляли экстракцию углеводородным растворителем нефрасом марки П1-65/75, как одним из наиболее используемых в масложировой отрасли экстрагентов.

При оптимизации режимов влаготепловой обработки варьировали влажность материала (w, от 8 до 14%) и температуру (t, от 60 до 90оС). Продолжительность влаготепловой обработки на первом этапе экспериментов была принята постоянной и составляла 60 минут. В качестве функции отклика использовали выход масла (Q) и степень его окисления, выражаемую числом Тотокс (T). Степень измельчения сырья во всех опытах была постоянной, средний диаметр частиц, согласно имеющимся рекомендациям, составлял 0,4-0,5 мм. Экстракцию осуществляли методом настаивания в кассетах при температуре 55 оС.

Математическая обработка результатов эксперимента с использованием прикладных программ «Statistica 6.0» и «Matchcad 12» позволила получить следующие уравнения регрессии.

Для экстракции нефрасом:

Q =2,7105-0,2709w-0,0234t+0,0083w2+0,0009wt+0,0001t2

Т=13,7111-2,304w-0,0083t+0,1516w2+0,0014wt+0,0008t2

Для экстракции этанолом:

Q =1,0191-0,0998w-0,0049t+0,0048w2+0,0001wt

Т=37,142-3,6143w-0,4358t+0,1797w2+0,0075wt+0,0031t2

Анализ коэффициентов представленных уравнений свидетельствует о существенно меньшем влиянии параметров влаготепловой обработки на выход масла при экстракции этанолом. Это можно объяснить разрушающим действием этанола, как полярного растворителя, на липопротеиновые комплексы, в результате которого происходит высвобождение связанных липидов. Взаимовлияние температуры и влажности на выход масла незначимо для обоих экстрагентов. Влияние параметров влаготепловой обработки на извлечение экстрагентом продуктов окисления более значимо для этанола, при этом особое влияние оказывает температура процесса.

В результате максимизации выхода масла при ограничении числа Тотокс и при варьировании длительности процесса были получены следующие режимы влаготепловой обработки крупки зародыша зерна кукурузы:

- для экстракции нефрасом: влажность материала 10%; температура 90оС; продолжительность 60 минут;

- для экстракции этанолом: влажность материала 8%; температура 60оС; продолжительность 40 минут.

Следует отметить, что осуществление влаготепловой обработки по указанным режимам обеспечивает достижение требуемых технологических свойств материала: коэффициент фильтрации на уровне 1,2-1,3; доля удерживаемого материалом раствори%.

В таблице 6 представлены данные по влиянию режимов влаготепловой обработки на выход и показатели качества извлеченного масла. Для сравнения проводили экстракцию зародыша без влаготепловой обработки (контроль).

Таблица 6 – Влияние режимов влаготепловой обработки на выход

и показатели качества масла

Наименование показателя	Значение показателя
Без влаготепловой обработки (контроль)	С влаготепловой обработкой
нефрас	этанол	нефрас	этанол
Выход масла за 2 часа экстракции, % к исходному	65,7	60,1	87,9	70,0
Кислотное число, мг КОН/г	2,40	2,30	2,95	2,35
Массовая доля фосфолипидов, %,	0,60	0,90	0,54	0,95
в том числе фосфатидилхолинов	0,32	0,66	0,26	0,67
Содержание, мг/100г:
токоферолов	20,8	22,7	17,8	22,9
каротиноидов	0,30	0,23	0,28	0,22
Число Тотокс	5,5	5,8	10,0	7,9

Как видно из представленных данных, использование в качестве экстрагента этанола обусловливает более низкий выход масла при его более высокой пищевой ценности. Последнее можно объяснить селективностью этанола по отношению к сопутствующим физиологически активным липидам, а также мягкими режимами влаготепловой обработки.

Учитывая полученные результаты, на следующем этапе решали задачу повышения выхода физиологически ценного кукурузного масла при использовании в качестве экстрагента этанола.

Основными факторами, влияющими на эффективность экстракции в системе «крупка зародышей кукурузы – этанол», являются температура, продолжительность процесса эксрагирования, гидродинамические режимы и соотношение экстрагент : экстрагируемый материал. Экстракцию осуществляли в лабораторном экстракторе специальной конструкции, при этом предварительными экспериментами было установлено, что создание гидродинамического режима, соответствующего критерию Рейнольдса более 10000, обеспечивает, при прочих равных условиях, максимальную интенсификацию массообменных процессов без изменения гранулометрического состава экстрагируемого материала.

Для выявления влияния температуры на эффективность экстрагирования проводили экстракцию при варьировании температуры в диапазоне от 30 до 70оС, и соотношении экстрагент: экстрагируемый материал, равном 5:1 (рисунок 4).

Рисунок 4 – Кривые экстракции кукурузного зародыша при соотношении этанол: материал 5:1 при температуре: 1 – 30оС; 2 – 40оС; 3 – 50 оС; 4 – 60 оС; 5 – 70 оС

 

Показано, что повышение температуры существенно интенсифицирует процесс экстракции, при этом проведение экстракции при температуре 60 оС обусловливает наступление равновесия за 35 минут, а при температуре 70оС – за 25 минут.

Результаты влияния температуры экстракции на выход и показатели качества получаемых продуктов: кукурузного масла и шрота представлены в таблице 7.

Таблица 7 – Влияние температуры экстрагирования на выход и показатели качества кукурузного масла и шрота

Наименование показателя	Значение показателя
30оС	40оС	50оС	60оС	70оС
Кукурузное масло
Число Тотокс	5,3	7,2	8,1	9,6	12,9
Массовая доля фосфолипидов, %	0,85	0,89	0,92	0,97	1,10
Массовая доля фосфатидилхолинов, % к сумме фосфолипидов	76	74	72	70	61
Массовая доля, %: меланоидиновых соединений	0,88	1,12	1,45	2,20	3,54
токоферолов	0,20	0,22	0,23	0,23	0,24
каротиноидов	0,18	0,20	0,22	0,25	0,27
Выход масла,% к исходному содержанию в материале	60	70	75	78	80
Шрот кукурузного зародыша
Массовая доля белка %:	24,4	25,6	26,1	26,5	26,8
Фракционный состав белка, % к сумме:
водорастворимый	33,2	29,6	28,7	25,3	15,5
солерастворимый	8,1	8,0	7,8	7,2	6,2
щелочерастворимый	40,2	43,3	43,9	46,1	49,2
нерастворимый	18,6	19,1	19,6	20,8	29,1

Как видно из представленных данных, увеличение температуры экстракции приводит к повышению выхода масла, а также увеличению содержания в нем фосфолипидов, токоферолов и каротиноидов. Однако, наряду с этим, происходит повышение степени окисленности масла, накопление меланоидиновых соединений, а также снижение содержания в извлекаемом фосфолипидном комплексе фосфатидилхолинов за счет повышения растворимости в этаноле других групп фосфолипидов. Указанные негативные изменения интенсифицируются при повышении температуры экстракции более 60оС. Повышение температуры более 60оС также неблагоприятно сказывается на качестве шрота, так как приводит к снижению содержания водорастворимых и солерастворимых белков при возрастании содержания щелочерастворимых и нерастворимых фракций. Таким образом, полученные данные обусловливают целесообразность проведение экстракции кукурузных зародышей этанолом при температуре 60оС.