способ инактивации антипитательных веществ и повышения питательной ценности соевых бобов

Формула изобретения

Способ инактивации антипитательных веществ и повышения питательной ценности соевых бобов, включающий обработку зерна тепловой энергией на первом этапе и энергией СВЧ на втором, отличающийся тем, что на первом этапе цельные бобы с собственной влажностью нагревают горячим сухим воздухом с температурой 180-200°С до температуры 95-100°С, на втором этапе обеспечивают градиент роста температуры 10-15°С в секунду воздействием в течение 1-2 с СВЧ-полем с удельной мощностью не менее 35 кВт/кг при напряженности электрической составляющей электромагнитного поля не менее 200 В/см с последующей выдержкой в течение 20-30 с в спадающем по уровню СВЧ-поле без изменения температуры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии производства продуктов из сои, которые могут использоваться в кондитерской, мясомолочной и хлебопекарной промышленности в качестве высокобелковых ингредиентов и самостоятельных продуктов, а также при производстве высокоэффективных комбикормов.

Известен способ обработки необезжиренных бобов сои (Патент РФ RU 2038797, А23К 1/00, А01F 25/00, А23N 12/00, опубл. 09.07.95), позволяющий повысить питательную ценность сои и снизить содержание антипитательных веществ до безопасного уровня. В основу способа положено замачивание бобов в воде не менее 3 часов. Поверхностную влагу удаляют пропусканием через массу потока воздуха и СВЧ-обработкой при температуре массы бобов 90°С до остаточной влажности 7% с последующим охлаждением бобов до температуры окружающей среды.

Известен способ инактивации антипитательных веществ соевых бобов (Патент РФ RU 2057464, А23L 1/211, опубл. 10.04.96), который предусматривает промывку цельных соевых бобов водой, замачивание их в щелочном растворе со значением рН 8,3-8,5 до степени набухания 0,3-0,35 и термическую обработку в поле токов СВЧ при градиенте температуры 7-9°С в 1 минуту до влажности соевых бобов 8-12%.

Известен также способ получения жмыха и масла из бобов сои (Патент РФ RU 2232799, С11В 1/00, опубл. 04.11.2002), включающий влаготепловую обработку рушанки влажностью 7-20% в электромагнитном поле СВЧ-диапазона удельной мощностью 0,2-2,0 кВт/кг в течение 1-6 минут и термопластическую экструзию.

Известные способы позволяют снизить активность ингибиторов трипсина до приемлемых величин, а показатель рН уреазы до нулевого значения, но не обеспечивают получения высококачественного продукта из-за остаточного бобового привкуса или привкуса щелочи, кроме того, происходит денатурация или деструкция белка из-за большой длительности обработки в СВЧ-поле, что ухудшает его усвояемость или снижает его количество.

Эти известные способы предполагают циклическую обработку продукта, являются трудоемкими и энергозатратными, требуют специального оборудования для замачивания и промывки бобов, дополнительных затрат для утилизации отходов производства, содержащих вещества, загрязняющие окружающую среду.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ тепловой обработки зерновых продуктов электрофизическими методами (Патент РФ RU 2085088, А23L 1/18, опубл. 27.07.97), включающий в себя два этапа обработки. На первом этапе продукт в течение 30-90 с нагревают тепловой энергией, например энергией ИК-излучения, до температуры 95-105°С без существенного изменения его влагосодержания. На втором этапе продолжительностью 20-60 секунд температуру продукта доводят до 120-180°С с помощью электромагнитного поля СВЧ с удельной мощностью не менее 5 кДж/кгс. Данный способ обладает возможностью инактивации ингибиторов сои без замачивания и варки, но высокая конечная температура обработки 180°С ведет к денатурации белка, окислению нативного масла, ухудшению потребительских свойств сои.

Целью предлагаемого изобретения является улучшение качества готового продукта, снижение трудоемкости и энергозатратности процесса обработки.

Технический результат улучшения качества готового продукта заключается в разрушении уреазы и ингибитора трипсина, в повышении питательных свойств сои за счет более глубокого преобразования крахмала в легко усвояемую форму, снижения трудоемкости и энергозатратности - в непрерывности процесса обработки и использования одного вида энергии - электрической энергии, преобразуемой в тепловую и СВЧ-энергию.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе тепловой обработки зерновых продуктов электрофизическими методами (Патент РФ RU 2085088, А23L 1/18 опубл. 27.07.97), включающем обработку зерна тепловой энергией на первом этапе и энергией СВЧ на втором, на первом этапе цельные бобы с собственной влажностью нагревают сухим горячим воздухом с температурой 180-200°С до температуры 95-100°С, на втором этапе обеспечивают градиент роста температуры 10-15°С в секунду воздействием в течение 1-2 секунд СВЧ-полем с удельной мощностью не менее 35 кВт/кг при напряженности электрической составляющей электромагнитного поля не менее 200 В/см с последующей выдержкой в течение 20-30 секунд в спадающем по уровню СВЧ-поле без изменения температуры.

Предлагаемый способ инактивации антипитательных веществ и повышения питательной ценности соевых бобов заключается в следующем.

Обработка бобов производится в два этапа.

На обработку поступает соя собственной влажности, без предварительного увлажнения. На первом этапе обработки непрерывным обдувом сухим горячим воздухом температурой 180-200°С обеспечивается испарение влаги с поверхности бобов выше скорости ее перемещения из внутренних слоев. Это позволяет подсушить поверхностный слой бобов, увеличить подвижность молекул воды в капиллярах и клетках бобов, приблизить ее температуру к температуре кипения, получить парциальное давление внутри капилляров, превышающее давление теплоносителя. При достижении температуры бобов 95-100°С осуществляется перемещение сои на второй этап обработки, который заключается в воздействии на движущиеся соевые бобы СВЧ-полем с удельной мощностью не менее 35 кВт/кг при напряженности электрической составляющей электромагнитного поля не менее 200 В/см в течение 1-2 секунд, обеспечивающем градиент роста температуры 10-15°С в одну секунду, при этом происходят структурные изменения зерновки, разрушение низкомолекулярных белков, преобразование крахмала в легкоусвояемую форму и по мере продвижения сои в спадающем по уровню по экспоненциальному закону СВЧ-поле в течение 20-30 секунд при неизменной температуре бобов происходит закрепление достигнутых результатов обработки. После прогрева соевых бобов до температуры 95-100°С на первом этапе обработка сои производится при непрерывном се перемещении. Непрерывный режим обработки позволяет максимально приблизить второй этап обработки к первому, это способствует сохранению соевыми бобами тепла, полученного на первом этапе при поступлении на второй этап, а следовательно, снижению энергозатрат на втором этапе обработки. Режимы обработки могут поддерживаться скоростью перемещения сои и температурой горячего воздуха на первом этапе обработки.

Установленные диапазоны режимных параметров предлагаемого способа инактивации антипитательных веществ и повышения питательной ценности соевых бобов обусловлены следующими факторами.

Применение на первом этапе обработки сухого горячего воздуха с температурой 180-200°С позволяет получить температуру бобов 95-100°С за оптимальное время (1-2 мин) с оптимальным содержанием и распределением влаги в зерновке (9-10%). При температуре воздуха ниже 180°С снижается интенсивность съема поверхностной влаги и соответственно увеличивается время нагрева бобов, что снижает эффективность процесса за счет потери тепла в окружающую среду, возрастает степень денатурации бобов, не удается получить парциальное давление внутри капилляров выше давления теплоносителя. Температура воздуха выше 200°С приводит к пережогу верхних слоев зерновки. Нагрев зерна сои до температуры ниже 95°С ведет к увеличению энергозатрат на втором этапе, что существенно снижает КПД способа. Нагрев бобов до температуры свыше 100°С приводит к перераспределению влаги в зерновке, ее закипанию в капиллярах, низкая интенсивность парообразования и рост избыточного давления свободной влаги приводит к увеличению денатурации белков, а при длительном воздействии к снижению их растворимости (Ф.Д.Братерский. Ферменты зерна. М.: Колос, 1994, 196 с., стр.137), поэтому была определена экспериментальным путем продолжительность первого этапа обработки и составила 1-2 минуты, при этом влажность бобов 9-10% - оптимальные условия для получения качественных показателей готового продукта после второго этапа обработки при высоком КПД процесса.

СВЧ-обработка на втором этапе обеспечивает интенсивный объемный нагрев бобов, воздействуя на внутреннюю свободную и связанную влагу, благодаря чему происходят структурные изменения в зерновке по двум направлениям - резкое повышение давления в клетках, избыточное давление в порах и капиллярах, создается ситуация, когда время истечения жидкости и пара из капилляров больше времени нагрева, происходит тепловой взрыв, в результате чего разрушаются клетки зерновки (В.М.Кононов, А.Ф.Носовец. Теория микронизации зерновых воздействием СВЧ-энергии. Вопросы специальной радиоэлектроники. Серия: Общие вопросы радиоэлектроники. Вып.1. Москва-Таганрог, 2003, стр.146.), низкомолекулярные белки, к которым относятся ингибиторы трипсина, химотрипсина и других протеаз, разрываются молекулярные СН связи в сыром крахмале, происходит преобразование крахмала в легкоусвояемую форму - декстрин, что повышает питательную ценность соевых бобов. Одновременно происходит дезодорация сои, исчезает бобовый привкус, уничтожаются патогенные микроорганизмы и грибки.

Уровень удельной мощности электромагнитного поля СВЧ определен экспериментально и должен быть не менее 35 кВт/кг при напряженности электрической составляющей электромагнитного поля не менее 200 В/см, для получения градиента роста температуры 10-15°С в секунду, обеспечивающего при воздействии в течение 1-2 с глубокое преобразование крахмала, полное разрушение антипитательных веществ.

Градиент роста температуры ниже 10°С в секунду не обеспечивает полного вскрытия гранул крахмала и получения высокой степени декстринизации. Градиент роста температуры выше 15°С в секунду приводит к повышению уровня клейстеризации крахмала, к выгоранию сахаров, к деструкции белка и ухудшению качества готового продукта. Длительность воздействия высокого уровня мощности более 2 секунд приводит к резкому росту конечной температуры обработки, следовательно, к усилению факторов ухудшающих качество готового продукта.

Выдержка соевых бобов в спадающем СВЧ-поле в течение 20-30 секунд, при которой поддерживается конечная температура второго этапа обработки, обеспечивает закрепление полученных качественных и количественных изменений в бобах.

Применение электрической энергии в качестве основы для получения тепловой и СВЧ-энергии позволяет реализовать процесс без использования других источников энергии (пар, газ и др.).

Предлагаемый способ инактивации антипитательных веществ и повышения питательной ценности соевых бобов имеет все признаки непрерывного технологического процесса и может быть легко автоматизирован.

При разработке способа проводилась обработка соевых бобов кондиционной собственной влажности 12-14% известными способами, результаты сравнивались с результатами предлагаемого.

Пример 1. Проводили обработку сои влажностью 12-14% экструдированием с помощью серийного пресс-экструдера КМЗ-2У. Температура сои на выходе экструдера составила 130°С.

Пример 2. Проводили обработку той же сои энергией ИК-излучения с помощью кварцевых галогенных ламп. Температура соевых бобов составила до 130°С, дальнейшее повышение температуры приводит к подгоранию поверхности бобов.

Пример 3. Проводили обработку той же сои в СВЧ-поле бытовой СВЧ-печи «Электроника» в течение 15 минут, при этом соевые бобы нагревались до 140°С, увеличение времени обработки приводит к обугливанию бобов.

Пример 4. Проводили обработку той же сои предлагаемым способом на базе промышленных источника СВЧ, мощностью более 3 кВт, электрической тепловой пушки и стандартизированного метрологического оборудования, размещенных в установке вертикального типа, состоящей из: загрузочного бункера с теплообменным устройством в виде сетчатых корпусов, соединенных с входом СВЧ-камеры; СВЧ-камеры, состоящей из области обработки сои воздействием СВЧ-энергии и объема выдержки соевых бобов; дозирующего устройства, подсоединенного к выходу СВЧ-камеры.

Предлагаемый способ инактивации антипитательных веществ и повышения питательной ценности соевых бобов был реализован следующим образом.

Предварительно очищенные соевые бобы собственной влажности подавались в загрузочный бункер, дальнейшее перемещение сои происходило самотеком, сверху - вниз, в теплообменное устройство между сетчатыми корпусами, через которые продувался электрической тепловой пушкой горячий воздух, где соя по мере продвижения нагревалась, и на выходе из теплообменного устройства ее температура составляла 95-100°С. Далее разогретая соя самотеком поступала в СВЧ-камеру, где в процессе движения в области обработки подвергалась воздействию СВЧ-энергии, а в объеме выдержки в течение 25 секунд находилась в спадающем по уровню СВЧ-поле, при этом температура сои поддерживалась за счет теплоизоляции камеры на уровне 125-130°С, достигнутой на выходе из области обработки. С выхода СВЧ-камеры соя через дозатор барабанного типа поступала в выгрузной бункер.

Обработку проводили в нормальных климатических условиях, температура воздуха на выходе электрической тепловой пушки составляла 190°С. Параметры воздействия СВЧ-энергии обеспечивались конструкцией и размерами СВЧ-камеры, мощностью СВЧ-генератора, скоростью перемещения сои. Скорость перемещения сои регулировалась изменением числа оборотов дозатора.

Сравнительную оценку известных и предлагаемого способа проводили по девяти основным показателям. Показатели определялись региональной специализированной лабораторией по известным методикам. Удельные затраты энергии получали расчетным путем как отношение потребляемой оборудованием мощности к их производительности. Полученные результаты приведены в таблице.

Результаты экспериментов показывают, что предлагаемый способ инактивации антипитательных веществ и повышения питательной ценности соевых бобов обеспечивает по сравнению с известными существенно более высокое качество конечного продукта, снижение удельных затрат энергии и стоимости обработки.

Таблица
Показатели	Исходный продукт	Способы обработки
		Экструзия	ИК-обработка	СВЧ-печь «Электроника»	Предлагаемый способ
Активность уреазы, рН, ГОСТ13979.9-69	2,1	0,2	0,05	0,1	0,01
Протеин, %, ГОСТ13496.4-93	28,4	-	-	-	-
Белок, %, ГОСТ13496.4-93	-	41,5	37,5	38,3	42,3
Масличность, %, ГОСТ10857-80	19,3	17,3	16,5	17,5	19,3
Кислотное число масла, мг КОН, ГОСТ5476-80	3,4	5,2	5,4	6,1	3,38
Крахмал, %, ГОСТ10845-80	12,16	-	-	-	-
Массовая доля водорастворимых углеводов, %, ГОСТР51636-2000	2,6	5,6	3,8	4,6	13,5
Нитраты, мг/кг ГОСТ13496.19-93	75	71	72	69	56
Нитриты, мг/кг ГОСТ13496.19-93	5,0	7,4	8,5	9,2	1,8
Кол-во мезофильных аэроб. и факультат. аэробных микроорганизмов, КОЕ в 1 г, не более	2,8·10 -5	320	120	не обнаружены	не обнаружены
Удельные затраты энергии, Вт час/кг	-	290	310	1300,0	160,0