Введение

Процесс переработки зернового сырья направлен на разделение главных анатомических частей зерна для составления основного продукта и удаления нежелательного. В практической технологии учитывается общее анатомическое строение, форма и особенности свойств частей зерна, подлежащих разделению, степень связи между анатомическими частями, подлежащими разделу, особенности расположения зародыша и глубина его проникновения в эндосперм, наличие, глубина и конфигурации бороздки у зерновок злаковых. Актуальной является разработка способов измельчения зерна на вальцовом станке, в том числе путем плющения, с целью получения продуктов с заданным химическим составом и свойствами на основе формирования стабильных потоков продуктов размола из различных анатомических частей зерновки [1].

Процесс плющения является распространенной технологической операцией на зерноперера-батывающих предприятиях. Он заключается в том, что исходное сырье подвергается механическому воздействию за счет воздействия деформаций сжатия между двумя движущимися криволи-нейными поверхностями с определенной и (или) заданной шероховатостью. В каждом конкретном зерноперерабатывающем производстве цели плющения зерна различны. В мукомольном производстве плющение зерна может применяться перед I драной системой в качестве предсистемы. Подобная операция используется в сортовых хлебопекарных помолах пшеницы по сокращенной схеме и при односортном 63%-ном помоле ржи в сеяную муку. В крупяном производстве операция плющения используется в технологии производства зерновых хлопьев. Производство комбикормов на основе плющения зерна с предварительной водно-тепловой обработкой приводит к повышению питательной ценности комбикормов.

Основной машиной для плющения в зерноперерабатывающей промышленности является вальцовый станок, основные рабочие органы которого − вальцы имеют микрошероховатую поверхность и вращаются навстречу друг другу с определенной скоростью. Такая конструкция позволяет производить первичное разрушение зерна путем деформации сжатия и получать заданный продукт без образования отдельных раздробленных частиц [2].

Плющение зерна или его частиц в вальцовом станке происходит в клиновидном пространстве, постепенно сужающемся книзу, образованном двумя цилиндрическими поверхностями внешнего касания. Рабочими органами вальцового станка являются два цилиндрических вальца, вращающихся с различными скоростями навстречу вдруг другу. Разрушение зерна начинается несколько выше линии, соединяющей центры вальцов, причем медленновращающийся валец, обычно нижний, как бы поддерживает зерно при воздействии на него поверхности верхнего, быстровращающегося вальца. Зерно или его частицы, попав в зону измельчения, подвергаются одновременно деформации сжатия вследствие постепенно уменьшающегося расстояния между поверхностями вальцов и сдвига за счет разности скоростей вальцов. Такой характер воздействия рабочих органов вальцового станка на измельчаемые продукты обеспечивает при плющении разворачивание целых зерновок с минимальным образованием мелких оболочечных частиц.

Результатом плющения зерна является решение технологической задачи деления зерновки на анатомические части по одной или нескольким границам разделения с большей или меньшей четкостью для дальнейшего целевого их использования. Для разрушения тела зерновки на анатомические части прилагается разрушающее усилие величиной, превышающей силу межмолекулярного сцепления и притяжения между частицами. Работа в данном случае расходуется на преодоление внутренних сил, которые, в свою очередь, зависят от физико-механических свойств разрушаемых материалов и характера приложения разрушающих усилий [3].

Сведения о зерновом амаранте [4, 5] указывают на его высокую питательную ценность, в том числе по качеству протеина [6], по сравнению с истинными злаками. Его относят к источникам сбалансированных пищевых составов и продуктов, проявляющих функциональные свойства и фармакологическую активность. К преимуществам для здоровья человека при введении зерна амаранта в пищу относят снижение уровня холестерина
и глюкозы в крови, стимулирование иммунной системы, противоопухолевое действие, повышение гипертонического давления и снижение анемии
[7–9].

Продукты размола зерна амаранта различаются по пищевой ценности и антиоксидантной активности в зависимости от содержания анатомических частей зерновки [10]. Клинически показано применение продуктов размола зерна амаранта в аглютеновых [11–14] и мучных изделиях [15].

Для проведения лабораторного размола зерна амаранта установлена возможность использования вальцового станка при проведении предвари-тельного увлажнения зерновой массы от 11 до 18,5 %. Оптимальным диапазоном изменения влажности зерна амаранта является 11–15,5 % для получения муки с заданным содержанием полифенолов. В результате обработки количество удаляемой семенной оболочки амаранта повышается от 12,91 до 38,33 %, обеспечивая улучшение условий размола [16]. С другой стороны, продукты размола зерна амаранта, содержащие различные анатомические части, отличаются по гидрофильной способности и вязкости крахмала. Так, во фракции зерна, содержащей семенную оболочку, наблюдается ухудшение условий и повышение температуры клейстеризации крахмала, по сравнению с фракцией крахмалистой муки, выделяемой из центральной части зерновки. Наименьшая вязкость крахмала наблюдается в продуктах размола при влагосодержании зерна амаранта в 14–16 % [17].

Однако указанные способы измельчения зерна амаранта предусматривают получение преимуще-ственно неочищенных от посторонних примесей и высокозольных частиц различных видов низкосортной муки и отрубей, что пригодно для целей обогащения или последующего выделения из них масла амаранта [18], ограничивая их использование в традиционном хлебопекарном производстве.

Целью работы является разработка способа плющения зерна амаранта на вальцовом станке для получения зернопродуктов на основе принципа разделения анатомических частей зерновки.

Объекты и методы исследований

Объектом исследования послужило зерно амаранта сорта Ультра A. hybridus L.,  очищенное с помощью пневмоклассификатора с замкнутым циклом воздуха ЗЦВ [19]. Зерновой амарант, относимый по ГОСТ ISO 5526-2015 «Зерновые, бобовые и другие продовольственные зерновые культуры. Номенклатура» к продовольственным культурам, существенно отличается от злаков анатомическим строением зерновки и массовым соотношением ее составных частей (табл. 1).
С уменьшением геометрических размеров зерновки амаранта (табл. 2) возрастает относительное содержание оболочек с алейроновым слоем и зародыша, а количество крахмалистого перисперма снижается при возрастании удельной поверхности, что обычно затрудняет технологическую переработку зерновой массы.

Для теоретического и практического изучения процесса сжатия зерна в процессе плющения рекомендуется использовать вальцовый станок, в котором зерновой материал обрабатывается в клиновидном зазоре между двумя валками, вращающимися навстречу друг другу с одинаковыми скоростями [20].

В данной работе впервые применена методика ВНИИЗ, включающая определение напряжений и относительных деформаций зерновки в межвальцовом зазоре вальцового станка при плющении на специальном стендовом устройстве, кинематическая схема которого приведена на
рис. 1. На расчетной схеме стендового устройства (рис. 2) горизонтальные составляющие X_i
силы Т (Н) взаимодействия зерновки с вальцами определяют в ней величину деформаций сжатия и напряжения.

Таблица 1 – Соотношение анатомических частей в зерновке амаранта

Table 1 – Anatomic parts ratio in amaranth caryopsis

Таблица 2 – Геометрическая характеристика зерна амаранта

Table 2 – Amaranth caryopsis geometric characteristics

r

1

1

2

Рисунок 1 – Кинематическая схема устройства для определения деформации и перемещения зерновки амаранта
в межвальцовом зазоре: 1 – вальцы; 2 – зерновка; 3 – указатели угловых перемещений

Figure 1 – Kinematic structure diagram for determining deformation and displacement of amaranth grains in the roll space:
1 – rollers; 2 – grain; 3 – angular displacement indicators

Рисунок 2 – Схема сил взаимодействия зерновки амаранта с вальцами

Figure 2 – Scheme of interaction forces between amaranth grains and rollers

В стендовом устройстве зерновку амаранта радиусом r (м) размещают в заданном зазоре b (м) и нагружают вальцы с помощью грузов G₁ (кг) и
G₂ (кг), расчет усилий и перемещений в котором осуществляют с помощью формул (1–8).

Предельное значение напряжения сжатия зерновки амаранта в межвальцовом зазоре, при котором происходит ее разрушение, равно:

σсж=Pi :S,                             (1)

где Pi  – сила, Н;

S  – площадь зерновки, м².

Суммарный момент нагружения вальцов определяется как:

М0=-Pi∙fk∙rn- Pi∙fc∙R-Mxx+Gi∙R0,   (2)

где (Pi∙fk∙rn)  – момент сопротивления в подшипнике, Н∙м;

(Pi∙fc∙R)  – момент споротивления от силы трения при втягивании частицы в зазор, Н∙м;

Mxx  – момент сопротивления вальца на холостом ходу, Н∙м;

R  – радиус вальца (0,1 м);

fc  – коэффициент трения покоя зерновки амаранта по стали (0,3);

rn  – радиус подшипника, м;

Горизонтальная сила, H, определяющая деформацию сжатия зерновки, равна:

Pxi=Xi=Pi∙cos⁡(α0-βi) .            (3)

Вертикальная сила, H, определяющая деформацию сжатия зерновки, равна:

Pyi=Yi=Pi∙sinα0-βi.             (4)

Расчет величины деформации E_i и плечей h_i и l_i производится по формулам:

– абсолютная деформация, м:

Ei2=12∙r∙Rcosα0-βi-R∙cos α0 , (5)

– относительная деформация:

Ei=2∙Rcosα0-βi-cosα0∙12∙r= Rr  ∙

∙cos α0∙cosβi+sinα0∙sinβi-cosα0,       (6)

где

cosα0=R+b2/(R+r)→α0 ;

sinα0=1-cos2α0 ;

h0=R∙sinα0 ; l0=R∙cosα0 ;

hi=R∙sinα0-βi=

=R∙sin α0∙cosβi-cosα0∙sinβi ;

li=R∙cosα0-βi=

=R∙cosα0∙cosβi+sinα0∙sinβi .

Момент холостого хода равен:

Mxx=R0∙T,                             (7)

где R₀ – радиус шкива, м (0,047);

Т – сила преодоления сопротивлению вращения вальца на холостом ходу, Н.

Коэффициент трения качения (0,011) рассчитывается как:

fk=MxxQ∙d2,                                 (8)

где Q – масса вальца, кг (42,6);

d – средний диаметр подшипника, м (0,09).

Для проведения опыта с зерновками амаранта производили из партии зерна отбор трех навесок массой 0,1 кг каждая и сортирование их по крупности. Зерно, относимое к сходу сит с размерами ячеек 1,6; 1,4; 1,2; 1,0; 0,85 и 0,67 мм, классифицировали по шести фракциям, проход сита с размерами ячеек 0,67 мм при проведении опыта не использовали.

Среднее усилие разрушения зерна каждой фракции Р_срi (i = 1, 2, …, 6) определяли как среднее арифметическое усилие разрушения 10 или 20 штук зерен одной крупности, величину данного показателя рассчитывали по формуле:

Рср.разр=ikPсрi∙GiikGi,                         (9)

где Р_срi – среднее усилие разрушения зерен одной крупности (фракции), Н;

G_i – содержание зерен одной крупности в навеске, %.

С учетом процентного содержания каждой фракции зерна в навеске предельную относительную ошибку определяли по формуле:

δ=ik∆i∙GiikPсрi∙i,                          (10)

где Δ_i – абсолютная ошибка или предельное отклонение среднего арифметического значения величины усилия разрушения зерна одной крупности (фракции):

∆i=σi2∙tα2n-1  = nmPn-Pсрi2∙tα2n(n+1),             (11)

где n – количество зерен одной крупности, т. е. фракций, отобранных для испытаний;

t_α – нормированное отклонение малой
выборки [7].

Результаты и их обсуждение

Проведение экспериментов показало наличие характерной для кривых трехфазного процесса разрушения зерна пшеницы при деформации по З. Д. Гончаровой ступенчатости при плющении валками зерновок амаранта. Выбор диапазона влажности зерна амаранта при плющении для достижения пластичности обоснован литературными данными [16]. Целостность эндосперма в зерновке сохраняется при усилии сжатия с относительной деформацией от 80 до
90 %, в результате чего повреждается семенная оболочка и зародыш при сохранении связи между анатомическими частями зерна, а измельчение перисперма зерна амаранта характеризуется вязким разрушением с образованием хлопьев. Результаты стендовых испытаний приведены
в табл. 3.

Относительная ошибка параметра среднего усилия разрушения зерен одной крупности с надежностью 0,9 была определена для двух вариантов: фракции с содержанием зерна одной крупности в навеске до 10 %, от 10 до 30 % и более 30 % с отбором для проведения испытаний 10, 15 и 20 штук и фракции при том же содержании зерна одной крупности в навеске с отбором по 10 штук для проведения опыта. Относительная ошибка среднего усилия разрушения зерна амаранта в первом варианте, где фракция 70 штук, получена равной δ=17,28 :362,3∙100 %=4,7 %,  во втором варианте, где фракция 50 штук −
δ=20,38 :368,7∙100 %=5,5 %
.

Таблица 3 – Данные экспериментальных измерений для одной зерновки амаранта

Table 3 – Experimental measurements data for one amaranth grain