Результат интеллектуальной деятельности: СОСТАВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЗЕРЕН ЗЕРНОВЫХ, ЗЕРНОБОБОВЫХ И КРУПЯНЫХ КУЛЬТУР ПЕРЕД ПЕРЕРАБОТКОЙ

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к области переработки зерен зерновых, зернобобовых и крупяных культур, в частности к способу их ферментативной обработки перед переработкой на продукты питания (крупу, крупку, хлопья, муку и др.) с целью повышения выхода и качества продуктов переработки и помола.

Зерна злаковых, крупяных и зернобобовых культур весьма разнообразны по форме, размерам, строению. Принципиально зерно состоит из двух частей: ядра (эндосперм с зародышем) и оболочек (пленок). Наружные пленки, которыми покрыто ядро, могут быть либо цветковыми (как у проса, риса, овса, ячменя), либо плодовыми (как у гречихи, пшеницы, кукурузы), либо семенными (как у гороха).

Очень важным свойством зерна является прочность связи наружных пленок (оболочек) и ядра. У зерна таких крупяных культур, как рис, просо, овес и гречиха, наружные пленки охватывают ядро, не срослись с ним. У пшеницы, гороха, кукурузы, ячменя пленки плотно срослись с ядром по всей его поверхности.

Наиболее высокое содержание пленок у овса (22-30%), наименьшее у ячменя и гороха. На выход и качество крупы и муки влияют именно эти показатели качества зерна: содержание оболочек (пленок), крупность, выравненность, влажность и содержание примесей. Пленчатость определяют в зерне, очищенном от примесей. Соответственно, чем выше пленчатость, тем меньше на предприятии выход крупы и муки.

Зерновые, зернобобовые и крупяные продукты имеют широкое применение, и описано множество способов их переработки различными способами, позволяющими получить пищевые продукты и полупродукты улучшенного качества.

Известен (ЕР, патент 231729, опубл. 12.08.1987) способ ферментативного разложения цельной муки до крахмалосодержащих частиц зерновых. Муку подвергают обработке α-амилазой при температуре 80-95°C или при температуре 100-110°C и обработке β-амилазой при температуре 55-60°C. Ферменты инактивируют добавлением соляной кислоты до pH 4,5 и нагреванием до 90-95°C.

Известен также (ЕР, патент 731646, опубл. 18.09.1996) способ получения гомогенной и стабильной зерновой суспензии, согласно которому овсяной шрот обрабатывают β- и α-амилазой.

Известен (US, патент 4996063, опубл. 26.02.1991) способ получения водорастворимой композиции пищевой клетчатки путем обработки овсяного шрота или овсяных отрубей α-амилазой для разрушения овсяного крахмала.

Известен (JP, патент 3236787, опубл. 10.12.2001) способ получения композиции сахаридов, в котором картофельный крахмал обрабатывают α-амилазой рода Bacillus, или расщепляющим разветвленные структуры ферментом пуллуланазой при 50-70°C в течение 3-50 часов. Фермент затем инактивируют, и картофельный крахмал дополнительно обрабатывают β-амилазой при 50-70°C в течение 3-50 часов.

Известен (US, патент 5458893, опубл. 17.10.1995) способ получения обработанной β-глюканазой водорастворимой композиции пищевой клетчатки, предусматривающий обработку α-амилазой водной дисперсии содержащих β-глюкан зерновых перед обработкой растворимой фракции β-глюканазой.

Указанные выше способы, в том числе и используемые при их реализации ферменты и ферментные комплексы приводят к различным крахмальным продуктам, модифицированным с использованием одного или более ферментов, которые разлагают крахмал и/или глюкан различными способами и поэтому обеспечивают разные продукты, имеющие различные свойства. Ферменты комбинируют в соответствии с различными способами обработки с использованием различных температур и различных периодов инкубирования.

Однако указанные способы, реализуемые с использованием указанных выше ферментов, не обеспечивают повышение эффективности гидротермической обработки зерна перед переработкой и помолом, что не позволяет с минимальными эксплуатационными затратами повысить производительность предприятия, качество и биологическую ценность производимых продуктов.

Наиболее близким аналогом разработанного технического решения можно признать (RU, патент 2538385 10.01.2015) комплекс ферментных препаратов - целлюлаз (эндоглюканазы (1,4-β-глюкан-4-глюканогидролазы, КФ 3.2.1.4) и экзоглюканаз-целлобиогидролазы (1,4-β-D-глюканцеллобиогидролазы, КФ 3.2.1.91) и/или экзо-1,4-Р-глюкозидазы (1,4-β-D-глюканглюкогидролазы, КФ 3.2.1.74)) и ксиланаз (гемицеллюлаз (эндо-1,4-β-ксиланазы, КФ 3.2.1.8 и/или α-L-арабинофуранозидазы, КФ 3.2.1.55)) в количестве 10¹÷10⁴ единиц ферментативной активности и пищевых добавок - пероксида кальция (Е930) и пропионата натрия (Е281), и/или кальция (Е282), и/или калия (Е283) и/или ацетата натрия (Е262), и/или кальция (Е263), и/или калия (Е261).

Однако, как показал опыт реализации разработанного способа, указанный комплекс недостаточно эффективен при гидротермической обработке зерна перед помолом.

Техническая задача, решаемая с использованием разработанного состава, состоит в расширении ассортимента средств, применяемых при обработке зерен зерновых, зернобобовых и крупяных культур перед переработкой.

Технический результат, достигаемый при реализации разработанного состава, состоит в повышении производительности мукомольного предприятия или крупоцеха при одновременном повышении качества и биологической ценности получаемых помольных продуктов.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный состав для обработки зерен зерновых, зернобобовых и крупяных культур перед переработкой.

Разработанный состав содержит комплекс ферментных препаратов, в состав которого входят, по меньшей мере, целлюлазы целлобиогидролазы, ксиланазы, каталазы, фитазы, пероксидазы, оксидоредуктазы, лакказы, эстеразы, а также антиоксиданты.

В качестве антиоксидантов могут быть использованы аскорбаты, и/или токоферолы, и/или полифенолы, и/или натуральные растительные экстракты, и/или лимонная кислота, и/или аскорбиновая кислота.

В зависимости от вида исходного продукта, а также от получаемого пищевого продукта состав может содержать указанные ферменты в различных количествах в зависимости активности ферментов.

Предлагаемые в изобретении ферменты предпочтительно использовать совместно вследствие синергизма их действий. Однако возможны варианты использования набора указанных ферментов не полностью, но сохранением синергизма. Механизм синергетического действия целлюлаз состоит в том, что ферменты этой группы разрывают полимерные молекулы нерастворимых пентозанов оболочки пшеницы до растворимых высокомолекулярных фрагментов-олигосахаридов. Целлобиогидролаза открывает волокна целлюлозы, гидролизуя молекулы целлюлозы с невосстанавливающего конца полисахарида с образованием целлобиозы, и далее эндоглюканаза гидролизует связи в молекуле целлюлозы неупорядоченным способом, образуя набор поли- и олигомерных фрагментов различной длины. Частичное разрушение этих волокон дает возможность β-ксиланазам гидролизовать арабиноксиланы, в результате чего высвобождаются связанные с ними ковалентными связями белки.

Комплексы таких ферментов, как пероксидазы, и/или оксидоредуктазы, и/или лакказы, и/или эстеразы, способствуют окислению и обесцвечиванию пигментов оболочек, что обеспечивает более высокую белизну продуктов размола, а также более светлый мякиш выпеченных изделий из муки, полученной таким способом. Действие таких ферментов как каталазы и/или фитазы в синергизме с вышеперечисленными ферментами обеспечивают увеличение собственной антиоксидантной активности продуктов измельчения и помола, что позволяет предупреждать окислительную порчу и прогоркание крупки и муки из зерен зерновых, зернобобовых и крупяных культур при хранении.

В результате биохимического частичного разрушения оболочек зерна повышается проницаемость тела зерна для влаги при кондиционировании, ослабляются связи между разделяемыми оболочками и эндоспермом, быстрее происходит разрыхление структуры эндосперма и зерно приобретает свойства упругопластичного или пластичного тела, что в целом приводит к оптимизации технологических свойств зерна и повышению эффективности работы обоечных и вымольных машин. В результате помола подготовленного таким образом зерна повышается естественная белизна муки, что позволяет увеличить выход муки высшего сорта при одновременном увеличении общего выхода муки при сортовых помолах, повышается ее биологическая ценность, возрастает количество клейковины за счет попадания в помольный продукт периферийных частей крахмалистого эндосперма и улучшается ее качество. Кроме того, ферментативный гидролиз оболочек зерна позволяет снизить количество тяжелых металлов в продуктах помола вследствие протекания при солюбилизации структур оболочек процессов десорбции ионов металлов, связанных с некрахмальными полисахаридами.

Обработка зерен зерновых, зернобобовых и крупяных культур перед переработкой в крупку или муку разработанным составом может быть совмещена с кондиционированием или гидротермической обработкой, встраиваясь таким образом в действующие на предприятиях, перерабатывающих зерно, крупу и бобы любого типа, технологические схемы с использованием стандартных емкостей и дозаторов, применяемых в мукомольной промышленности, без лишних капиталовложений и дополнительного расхода воды.

Предельные норм расхода разработанного состава зависят от вида обрабатываемого сырья, его качества, а также от ферментной активности ферментов, входящих в состав.

Превышение указанных пределов приводит к чрезмерному гидролизу оболочек зерна, что может вызвать агрегацию зерен. Выход за границы нижнего предела расхода состава не влияет существенно на указанный технический результат, однако увеличивает время гидротермической переработки, что не способствует повышению качества получаемой продукции.

Разработанный состав может быть реализован на мельницах, оборудованных накопительной емкостью, которую возможно использовать для предварительного растворения разработанного состава на стадии кондиционирования.

Разработанный состав растворяют в предварительной накопительной емкости с мешалкой. После стадии очистки продукт поступает на гидротермическую обработку или кондиционирование в шнек параллельно с предварительно подготовленным раствором разработанного состава при температуре 10÷50°С. Шнек перемещает равномерно обработанное исходное сырье раствором разработанного состава в бункер для отлежки.

Разработанный состав может быть использован и на предприятиях, не оборудованных накопительной емкостью, которую возможно использовать для предварительного растворения разработанного состава.

После стадии очистки обрабатываемое сырье поступает на гидротермическую обработку или кондиционирование в шнек параллельно с водой при температуре 10÷50°С и разработанным составом в сухой форме, который подают равномерно через дозатор. Шнек перемещает обрабатываемое сырье, воду и разработанный состав, равномерно перемешивая, в бункер для отлежки.

Разработанный состав может быть использован на любой из стадий гидротермической обработки или кондиционирования, если на предприятии исходная технология предусматривает этот процесс в несколько стадий, в сухом или растворенном виде вышеуказанными способами.

Во всех вариантах реализации разработанного состава после этого очищенный и подготовленный продукт поступает на измельчение в размольное отделение.

Примеры вариантов состава для обработки зерновых, зернобобовых и крупяных культур перед переработкой представлены в таблице №1.

Пример применения составов 1, 2 и 4: экспериментальные помолы зерна пшеницы производили на лабораторной мельнице «Нагема». Лабораторные образцы пшеницы были увлажнены до 16,5%. Композицию ферментов растворяли в воде и вводили на этапе ГТО. Время отволаживания составляло 12 и 18 часов. При помоле трех образцов пшеницы, обработанной вышеуказанным методом, были достигнуты следующие результаты общего выхода готовой продукции: 73,5%, 79%, 82% в зависимости от концентрации ферментов. Для сравнения на лабораторной мельнице «Нагема» общий выход контрольного образца (без обработки ферментами) составил 60,3%.

Пример применения составов 1, 2 и 4: промышленные помолы осуществляли на мельнице мощностью 50 т переработки зерна в сутки. Продолжительность отлежки зерна каждой партий составила 10 часов. При визуальном осмотре зерен каждой партии отмечено, что зерна, увлажненные с ферментами, стали на тон светлее, чем зерна, увлажненные без ферментов. Кроме того, оболочка зерен экспериментальной партии стала более рыхлой и сморщенной. Через 30 минут работы мельницы были проведены первые анализы по белизне и качеству муки по потокам. По полученным показателям было принято решение перебросить еще 2 потока в муку высшего сорта. В результате из 11 потоков, которые предназначены для формирования высших сортов муки, 8 были постоянными и не менялись за все время размола, вместо 6 потоков при обычном размоле зерна без ферментов. Отруби экспериментальной партии зерна были более чистыми, светлыми и крупнее отрубей контрольного образца. Общий выход муки контрольного образца составил 75,5%, а общий выход экспериментального помола пшеницы, обработанной ферментами, составил 77,24%. Наличие в составе антиоксиданта для обработки зерна кукурузы позволяет предупредить окислительную порчу продуктов переработки.

Пример применения составов 5 и 7: промышленные помолы осуществляли на мукомольном предприятии мощностью 500 т переработки зерна в сутки. Эксперимент на данном предприятии был интересен тем, что в силу дефицита качественного зерна помольная партия состояла в основном из средней и низкой по качеству краснозерной пшеницы казахстанского происхождения с большой долей мелкого, щуплого зерна с низкой натурой. Основной проблемой переработки такого зерна был низкий выход (45-50%) муки высшего сорта.

Введение ферментного комплекса на стадии кондиционирования в течение 6-8 часов позволил достичь выхода муки высшего сорта 62% при сохранении всех качественных параметров муки.

Пример применения составов 6 и 9: промышленные помолы осуществляли на мельнице мощностью 150 т переработки зерна в сутки. В результате чего увеличена эффективность работы обоечной машины, в результате чего снижен % оболочек к общей массе зерна, поданного в размольное отделение. Выявлено резкое (естественное) возрастание белизны на каждом станке и в каждом потоке (от 3 до 18 единиц) в результате обработки пшеницы ферментами на стадии увлажнения с последующим отволаживанием зерна, что позволило увеличить количественный отбор муки высшего сорта без ухудшения качества (в т.ч. белизны) муки 1 сорта. При определении антиоксидантной активности в изучаемых образцах хлеба, изготовленного из муки, полученной вышеуказанным способом, было установлено, что в опытном образце значение этого показателя в 5,6 раз больше, чем в хлебе из обычной муки.

Пример применения состава 3: экспериментальные помолы и плющение цельной овсяной крупы показали следующие результаты: очищенную овсяную крупу пропаривали и увлажняли на 2,0-2,5% с последующим отволаживанием. Далее крупу плющили в плющильных станках с гладкими валками. В результате обработки предварительно обработанного ферментным комплексом зерна крупа приобрела свойства упругопластичного или пластичного тела, что в целом привело к оптимизации процесса плющения крупы и снижению % потерь (лома и крошки) и сохранению целостности хлопьев. Наличие в составе аскорбатов в качестве антиоксиданта для обработки крупы позволяет повысить антиоксидантную активность.

Пример применения состава 8: применение ферментов на стадии кондиционирования или ГТО кукурузы дает преимущества не только для обработки на последующих операциях дробления и шлифования, но и способствует облегчению выделения зародыша и его сохранности. Зародыш прикреплен к эндосперму за счет цементирующего слоя, не имеющего клеточного строения и состоящего из белка и пентозанов. В результате увлажнения и действия комплекса ферментов этот слой размягчается, и связь между ним и эндоспермом ослабевает. Большое значение такая обработка имеет при использовании зародыша как сырья для производства масла. Следовательно, зародыш необходимо отделять от зерна как можно более полно, а в выделенном продукте содержание эндосперма должно быть минимальным. В результате зародыш отделяется в виде более крупных частиц и содержит меньше эндосперма. Особенно такая технология необходима при производстве крупы для хлопьев и палочек, так как оболочки более легко снимаются при дроблении, а эндосперм разделяется на более крупные частицы, которые необходимы при производстве хлопьев. Наличие в составе токоферола в качестве антиоксиданта для обработки зерна кукурузы позволяет предупредить окислительную порчу продуктов переработки.

Использование разработанного состава обеспечивает повышение производительности мукомольного предприятия или крупоцеха при одновременном повышении качества и биологической ценности получаемых помольных продуктов.