Структурно-механические изменения сырья

Клубни картофеля имеют крупные клетки, заполненные клеточ­ным соком, и покрытые тонкой кожицей, поэтому при разварива­нии целых клубней тепло быстро проникает внутрь их. Для ослабления клеточной структуры и набухания расходуется меньше пара и не требуется добавления воды. Небольшое количество ее берется только при переработке высакокрахмалистых сортов и загнившего картофеля.

Первая стадия тепловой обработки неизмельченного картофеля— подваривание — проводится с целью использования вторичного пара (образующегося при выдувании массы из разварника в выдерживатель) при атмосферном давлении. Наивысшая температура подваривания не должна превышать 70°С. При большей температуре часть клубней может разрушиться, вышедший из клеток клейстеризованный крахмал покроет слоем целые клубни, вследствие чего разваривание их будет продолжительным и неполным. Кроме того, перегрузка деформированного картофеле из предразварника в разварник затруднена. Температура 40—60°С также нежелательна, так как стимулирует действие амилолитичееких ферментов клубней и превращение крахмала в сахар. Продолжительность подваривания для здорового картофеля составляет около 30 мин, мороженого 50 мин.

По современным схемам непрерывного разваривания карто­фель перед тепловой обработкой подвергают измельчению в кашку па молотковых дробилках или картофелетерках. При этом большая масть клеток вскрывается, вместе с клеточным соком освобожда­ется около 70% крахмала. Картофельная кашка имеет недостаточ­ную текучесть, поэтому в ряде случаев при ее перекачке плунжер­ными насосами приходится добавлять некоторое количество воды.

В отличие от целых клубней картофельную кашку подваривают лишь до температуры 40°С, так как из-за клейстеризации свобод­ных крахмальных гранул вязкость настолько возрастает, что каш­ка утрачивает текучесть.

Подготовка зернового сырья к развариванию несколько отли­чается от подготовки картофеля, так как его первоначальная влаж­ность колеблется в пределах 12—18% и прочность значительно выше, причем у отдельных слоев зерна она различна, что опреде­ляется неоднородностью его строения. Наибольшей прочностью обладают оболочки зерна, наименьшей — эндосперм. Цветочные пленки и наружные оболочки зерна состоят из плотных, инкрусти­рованных минеральными веществами тканей, не уступающих в прочности древесине. Сопротивляемость на разрыв оболочки ржи дости­гает 22,5 МПа, пшеницы—31 МПа, овса— еще больше.

Алейроновый слой, состоящий преимущественно из белков, отличается большой эластичностью и сопротивляемостью как механическим, так и химическим воздействиям. Такими же свойствами
обладает и зародыш: на мельничных машинах, работающих по принципу сдавливающих усилий, зародыш сплющивается, но не дробится. Эндосперм имеет тонкое и хрупкое строение, сопротивление его сжатию 1,7—3,2 МПа, а сопротивление скалыванию 0,3 — 0,9 МПа.

Для разрушения целого зерна требуются значительные механи­ческие усилия. На размол в дерть 1 т зерна нужно затратить в сред­нем 70—90 кДж электроэнергии, при этом еще не все клетки будут вскрыты, в связи с чем уменьшение прочности сырья является одной из задач подваривания. Вода, проникающая внутрь зерна, вызы­вает набухание крахмала и клеточных стенок, растворяет некото­рые межклеточные вещества, отчего сцепление отдельных составных частей зерна ослабевает. Благодаря этому оно становится мягким и гибким. По данным Л. Н. Маравина, для сжатия кукурузного зерна до состояния лепестка толщиной 3 мм необходимо давление 3,9 МПа, а после подваривания при 100°С в течение 3 ч — всего 0,26 МПа.

При переработке зерна, как и картофеля, развариванию под давлением предшествует прдваривание, перед которым целое зерно или крупку смешивают с водой в соотношении от 1;2,5 до 1:3,5 с таким расчетом, чтобы после осахаривания концентрация сусла была равна 16—18%.

Во время подваривания вторичным паром зерно набухает. До температуры 55°С крахмал набухает слабее, чем клейковина., при температурах выше 60°С, наоборот, набухание крахмала резко воз­растает, а набухание клейковины уменьшается. При температуре около 90°С оболочки зерна разрываются в отдельных местах и крахмал частично клейстеризуется.

Набухание зерна происходит с измеримой скоростью, описываемой уравнением:

W = atⁿ,

где W — влажность зерна, %;

t — продолжительность набухания, мин; а и n — коэффициенты, зависящие от культуры зерна.

Согласно исследованиям В. А. Смирнова и Е. Ф. Четверикова, по скорости набухания зерно различных культур можно располо­жить в следующий ряд (в скобках указано количество влаги в %, поглощенное к массе безводного зерна при температуре 90°С за 60 мин):

Рожь > Пшеница > Овес > Просо > Ячмень:> Кукуруза

(101). (76) (70). (67), (60) (55)

Крупные зерна набухают медленнее мелких. Дефектное зерно набухает быстрее здорового. С повышением температуры на 10°С (в температурном интервале 70—90°С) скорость набухания возра­стает примерно в два раза.

Практически целое зерно ржи, пшеницы, ячменя и овса в перио­дически действующих предразварниках нагревают до 85—95°С и выдерживают при этой температуре 60—75 мин. Полное набухание достигается в течение 2 ч. Подваренное целое зерно вместе с горя­чей водой поступает самотеком и варочный аппарат.

Нарушение целости зерна значительно ускоряет набухание. Чем мельче крупка, тем быстрее происходят набухание, клейстеризация крахмала и связанное с ней повышение вязкости замесов, что сле­дует учитывать в производственных условиях при выборе темпера­турного режима подваривания.

Б. А. Устинниковым исследована динамика вязкости пшеничного замеса в зависимости от температуры подваривания и размеров крупки (скорость нагрева 1,5°С в минуту). Установлено, что у крупки с частицами размером до 1 мм вязкость резко возрастает, начиная с 60°С, и достигает максимального значения при температуре 72—75°С. Затем вязкость снижается в связи с нарушением структуры клейстера при механическом перемешивании и гидролизе крахмала амилазами сырья. Максимальная вязкость достигает 50—52 Па*с, при этом замес практически теряет текучесть. Максимальная вязкость клейстеризованного замеса является функцией концентрации в нем крахмала С:

μ = аС^k,

где а и k — постоянные, зависящие от вида крахмала.

При температуре 60°С замес из крупки с частицами большего размера расслаивается. Расслаивание прекращается с одновремен­ным быстрым повышением вязкости при 65 С у замеса с частицами размером 1,5 мм, при 80—85°С— с частицами 2 мм, при 90°С — с частицами размером 2,5 мм. Вязкость замесов из крупных частиц возрастает медленно и после достижения больших значений долго метается на, этом уровне. Свойство медленного набухания и клейстеризации крахмала крупных частичек используется на практике для полного использования вторичного пара путем быстрого нагрева замеса до максимальной температуры при ограниченном време­ни выдержки массы на стадии подваривания.

В зависимости от степени измельчения зерна, свойств и концентрации крахмала в замесе подбирают оптимальное время выдержки массы при максимальной температуре, определяемой вязкостью подваренного замеса, т. е. возможностью его перекачивания. Наряду с этим работами многих исследователей показано, что наиболее эффективно проводить разваривание такого сырья, в котором полностью прошли набухание и клейстеризация. При этом снижаются температура и продолжительность разва­ривания, что позволяет значительно уменьшать потери сбраживаемых ве­ществ и сократить расход пара.

Подваривание сырья до полного набу­хания и клейстеризации возможны, толь­ко при одновременном разжижении заме­са бактериальными а-амилазами. Препа­раты бактериальных а-амилаз, особенно термофильных культур Вас. subtilis или Вас. diastaticus, хорошо разжижая крах­мал при температурах до 95°С, гидролизуют его до высокомолекулярных декст­ринов. В отличие от а-амилаз солода и плесневых грибов разжижение бакте­риальными а-амилазами не приводит к значительному накоплению сахаров, сле­довательно, можно не опасаться увели­ченных потерь сбраживаемых веществ при разваривании.

После подваривания сырье поступает в разварники периодиче­ского или непрерывного действия, где подвергается воздействию более высоких температур —140— 170°С (избыточное давление 0,27—0,71 МПа).

В первый период разваривания заканчиваются поглощение воды. Набухание и клейстеризация. Одновременно происходит.растворение крахмала, некоторой части пентозанов, гексозанов, белков и других веществ сырья. По мере растворения отдельные клетки разрываются и дают выход крахмалу в окружающую зерно среду. При разваривании сырья разрыв клеток происходит сначала в наружных слоях, внутри же клубня или зерна они остаются це­лыми.

Этот период характеризуется медленным развариванием внутренних слоев тканей и длится для зерна 40—50 мин, для картофеля 15—30 мин.

Изменение клубней во второй период разваривания под действи­ем высокой температуры показано на рис. 1,а. Из него видно, что клетки клубня, разваренного под давлением 0,3 МПа, раздулись и приняли шарообразную форму; связь между ними сильно наруши­лась. Растворившиеся под действием высокой температуры вещест­ва частично вышли из клеток и заполнили межклеточные простран­ства. Клубни разваренного картофеля хотя и размягчены, но боль-

Рис. 1. Клетки клубня картофеля:

а —в конце разваривания; б —после выдувания.

0 20 30 40 50

60 70 80 90 100

Рис 2. Изменения целого зерна при разваривании под давлением (цифры указывают время в минутах).

шинство их еще сохраняет свою форму. На рис. 1,б показано со­стояние клеток после выдувания, картофеля. Клетки еще больше увеличились в объеме. Некоторые из них лопнули, и находившийся в них жидкий крахмал выделился в окружающую среду. На рис. 2 схематически изображены изменения величины и формы целого зерна через каждые 10 мин разваривания. Набуха­ние зерна и уменьшение прочности ткани пограничных участков длятся примерно 20 мин. В этот период происходит повышение паро­вого давления и соответственно температуры в разварнике до 120— 125°С. В следующие 10 мин, когда температура достигает 135— 140°С, растворяется крахмал в периферийных участках зерна, и во­круг центральной его части образуется слой гидратированного крахмала. Спустя еще 10 мин, в течение которых температура по­вышается до 146—148^СС, растворение и разрушение ткани несколь­ко продвигаются к центру зерна. Так как теплопроводность крахма­листой полужидкой массы, окружающей твердую часть зерна, по­нижена, то вода и тепло в центральные слои проникают медленно, поэтому процесс периодического разваривания целого зерна затя­гивается от 65 до 75 мин.

Если разваривать зерно меньшее время (например, 30 мин) при несколько пониженной температуре, то при выдувании клеточная структура не будет достаточно разрушена; крахмал полностью не осахарится, и значительная часть его потеряется с бражкой. Однако при смешивании такой разваренной массы сырья с осахаривающими ферментами и пропускании через измельчитель можно получить хорошие результаты по осахариванию и брожению. На этом был основан способ ускоренного периодического разваривания с применением дисконожевых дробилок, предложенный А. Л. Малченко. Способ позволял увеличить производительность разварников в 1,5 раза и перерабатывать большее количество высокопленчатого сырья, так как пленки подвергались дополнительному измельчению.

Применение непрерывного разваривания с предварительным измельчёнием сырья позволило вскрыть в нем достаточное количество(клеток и при сравнительно мягких режимах варки.

Дата добавления: 2015-07-02