Оптимізація виробництва екстракту з зародків пшениці з використанням інформаційних технологій

У якості екстрагента при отриманні густих екстрактів застосовують гарячу або холодну воду (останню зазвичай з додаванням хлороформу, розчину аміаку), етиловий спирт, ефір. За допомогою води зазвичай витягають гіркі гірко-ароматичні та солодкі речовини. Більшість екстрактів отримують за допомогою спирту концентрації від 20 до 70 %.

Виробництво густих екстрактів складається із трьох основних стадій:

1) отримання витяжки;

2) очищення витяжки від  баластних речовин;

3) випарювання (згущення) витяжки.

Для одержання густих екстрактів можна використовувати як воду, так і спиртово-водний розчин.

Отримання витяжки при використанні в якості екстрагенту води здійснюється в основному методом бісмацераціі (подвійного настоювання), що полягає в настоюванні сировини спочатку з першою порцією екстрагента, що складає 5/8 його загального обсягу, вливанні першої витяжки й наступним настоюванням із рештою кількістю екстрагента, після чого обидві витяжки поєднують. Дуже рідко водні густі екстракти одержують шляхом перколяції (полин).

Спиртові густі витяжки, як і у випадку рідких екстрактів, отримують методами перколяції, реперколяції і протитечійного екстрагування [3]. Екстракт із зародків пшениці був одержаний методом протитечійного екстрагування.

 

 

 

 

 

 

1.2. Технологічні стадії виробництва екстракту з зародків пшениці

 

 

Приготування пшеничного солоду

 

Солод – продукт штучного пророщування зерен злаків, що містить активні речовини – ферменти.

Приготування солоду вимагає особливої ​​уваги та чистоти. Період пророщування для зерна різних культур має різну тривалість: для пшениці він становить 7-8 діб. Під час пророщування у зерні відбуваються складні біохімічні процеси, у результаті чого утворюються активні ферменти. Пророщене зерно називається зеленим солодом. Цей вид солоду має найвищу активність ферментів і здатний швидко зацукрювати крохмаль. Для зберігання зелений солод сушать при температурі не вище 40 °С, у результаті чого отримують світлий солод, який зберігає активність ферментів, але вона трохи менше (80 %), ніж у зеленого солоду. Світлий солод очищують від паростків і залишків корінців, просівають і зберігають у закритій тарі при вологості не більше 10 %.

Приготування солоду включає ряд обов'язкових послідовних операцій:

• відбір зерна;

• замочування зерна;

• пророщування зерна.

 

Відбір зерна

 

При виборі зерна слід проявити особливу уважність, так як тільки хороше зерно дозволяє отримувати солод високої якості, а це є основною умовою приготування ферментованих напоїв та дієтичної добавки  в подальшому.

Свіжозібране зерно можна використовувати для приготування солоду не раніше, ніж через 2 місяці. Не слід також використовувати для приготування солоду зерно, яке зберігалось більше року, так як воно може мати низький відсоток проростання. При відборі зерна для солоду слід керуватися тим, що зерно повинно бути повністю зрілим і мати світло-жовтий колір; бути великого розміру та повним; не мати домішок бур'янистих трав; внутрішність зерен повинна бути пухка, біла і борошниста; при зануренні в воду зерна повинні опускатися на дно.

Для перевірки відсотка проростання відбирають 100 крупних, стиглих зерен пшениці та опускають у склянку з водою, спливаючі зерна видаляють і замінюють новими повноцінними. Потім зерна розкладають на невеликій тарілці, накривають мокрою тканиною і ставлять у тепле темне місце. Періодично перевіряють вологість тканини і при необхідності зволожують. Через 2-3 дні перевіряють відсоток проростання зерна за наявністю паростка і корінців. Знаходять число непророслих зерен і визначають здатність до проростання зерна у відсотках, при цьому від 100 зерен, узятих для перевірки, віднімають число непророслих протягом 3-х днів. Хороша пшениця для солоду повинна мати відсоток проростання не менше 92 [4].

 

Замочування пшеничного зерна

 

Замочування зерна є важливим етапом у приготуванні солоду. Достатня вологість, наявність кисню та оптимальна температура – найважливіші попередні умови для вирощування солоду. Вільна вегетаційна волога в зерні, що є результатом штучного насичення його водою, забезпечує перехід поживних речовин у розчин і їх міграцію до зародку. При цьому створюються сприятливі умови для проникнення ферментів в ендосперм, які переводять резервні нерозчинні речовини зерна в розчинні і легкозасвоювані зародком.

Таким чином, вегетаційна волога не тільки засіб міграції поживних речовин до зародку, але й фактор, який прискорює біохімічні процеси, пов'язані з життєдіяльністю зерна і активацією ферментів. Вологість зерна складається із первісної його вологості (10-15 %) та кількості води, поглиненої зерном в період замочування. Кінцева вологість зерна, необхідна для його пророщування, називається ступенем замочування. Оптимальна ступінь замочування пшениці становить 42-50 % і залежить від її сорту та типу одержуваного солоду.

Вода при замочуванні проникає у зерно в основному через мікрокапіллярні отвори, розташовані в місцях зародка. Частина її потрапляє всередину зерна і через оболонку – по всій його поверхні. Рушійною силою проникнення води в зерно є різниця концентрацій на поверхні та всередині зерна.

На швидкість замочування пшениці помітний вплив робить його хімічний склад. Внаслідок наявності в зародку значної кількості білкових речовин, що володіють високою здатністю набухання, вода швидко поглинається всією його масою. Ендосперм, що містить основну частину крохмалю, набухає повільно, отже, його тканини у меншій мірі поглинають воду. Тому на замочування необхідно подавати однорідне за складом та розміром зерно, отримане з однієї зони виростання, оскільки кліматичні умови також позначаються на швидкості замочування.

Тривалість і ступінь замочування зерна залежать також від температури води, застосовуваного способу замочування, розмірів і стану зерна. Температура води є головним фактором, що впливає на швидкість замочування. Із її підвищенням поліпшується здатність білків , крохмалю і клітковини до набухання, а також зростає швидкість дифузії води внаслідок зниження в'язкості. Так, при замочуванні зерна у воді температурою 20 °С ступінь замочування 45 % досягається в два рази швидше, ніж при 10 °С. Однак слід пам'ятати, що при температурі вище 15 °С відбувається активний розвиток мікроорганізмів. Для їх інгібування у промисловості широко використовують різні антисептики, які є одночасно і стимуляторами росту зерна. Максимальна температура для замочування – 30 °С.

При недостатній продувці шару зерна повітрям утворюється надлишок СО2 і коефіцієнт дихання стає більше 1, у результаті чого відбувається спиртове бродіння (анаеробіоз), продукти якого інгібують зародок. Вміст спирту в воді призводить до нерівномірного зростання зерна, а іноді (при вмісті спирту більше 1 %) – і до повного гальмування зростання. Замочування зерна слід розглядати як комплексний процес зволоження та біологічної фази зростання. Чим швидше протікає насичення вологою зерна та чим інтенсивніше видаляються інгібуючі речовини, тим активніше йдуть ферментативні процеси.

Зрілі насіння злакових культур, призначені для замочування і пророщування, повинні пройти період післязбирального дозрівання протягом декількох місяців. За цей час у тканинах зерен завершуються певні біохімічні процеси, у результаті яких змінюється фізіологічний стан насіння, спрямоване на проростання зародка. У виробництві солоду зерно після дозрівання, очищення і сортування надходить на мийку. Це обумовлено тим, що на поверхні зерна знаходяться різні органічні та неорганічні забруднення, які створюють сприятливі умови для розвитку мікроорганізмів, що поглинають кисень і виділяють токсичні речовини.

Для миття зерна з урахуванням жорсткості води застосовують різні мийні та дезінфікуючі засоби (гашене вапно як лужну добавку, їдкий натр, каустичну соду, кислі добавки, хлорне вапно, перекис водню тощо). Однак миючі та дезінфікуючі засоби з технологічної та гігієнічної точок зору небажані, оскільки вони забруднюють стічну воду і накопичуються у зернах. Очищення зерна поліпшується у результаті застосування теплої і гарячої води, особливо на підприємствах, які мають дешевими джерелами тепла, що відходить. При цьому необхідно активно перемішувати зерно з водою. Вода, що використовується для замочування, повинна відповідати вимогам питної і не містити будь-яких забруднень. При виробництві екстракту здійснювалося зрошувальне замочування із повітряними паузами. Застосовувати цей спосіб доцільно в апаратах із невеликою висотою шару зерна, т. к. в шарі більше 2,0 м з'являється трудність відведення тепла та двоокису вуглецю, які виділяється зерном. Тому для зрошувального замочування із тривалими повітряними паузами були використані замкові апарати з плоским днищем [5].

 

Пророщування зерна

 

На підприємстві для приготування пшеничного солоду був використаний відкритий солодоростильний барабан (рис. 1.1). Він являє собою сталевий циліндр із численними вузькими отворами. Усередині барабана знаходиться центральна пневмосітчаста труба 1. Таким чином, зерно, яке пророщують, знаходиться у кільцевому просторі між двома сітчатими циліндрами: між центральною трубою і зовнішнім циліндром. Виступи у вигляді поздовжніх сталевих смуг заважають ковзанню пшениці по гладкій внутрішній поверхні барабана і забезпечують хороше перемішування. На центральній сітчастій трубі закріплені сталеві планки 2, які також сприяють перемішуванню солоду.

Рис. 1.1 Солодоростильний барабан:

1 - центральна повітряна  труба; 2 - сталеві планки; 3 - зволожувальна  камера, 4 - форсунки; 5 - водовіддільник; 6 - водозливна труба; 7 - водяна сітчаста труба

 

Повітря, яке нагнітається вентилятором, надходить у зволожувальну камеру 3, у якій знаходяться форсунки 4, які розпилюють воду. Зволожене повітря проходить через водовіддільник 5 у центральну трубу 1, пронизує шар солоду і через вузькі отвори зовнішнього циліндра виходить у приміщення солодовні. Дрібні крапельки води, механічно захоплені повітрям із зволожуючої камери, осідають у водовіддільник і направляються у водозливну трубу 6. У центрі повітряної труби розташована водяна сітчаста труба 7 для додаткового зволоження пшениці та промивки барабана.

Замочена пшениця подається у барабан через люки, які щільно закриваються дверцятами. Для рівномірного розподілу зерна завантаження барабана здійснюється у три прийоми рівними кількостями. Після першого та другого перекачування замоченого зерна барабан повертається на півоберта; після третьої перекачування барабан приводиться в обертальний рух при безперервному сильному продуванні зерна незволоженим повітрям. Заслінка в місці виходу при цьому повністю відкрита. Таким чином, барабан рівномірно наповнюється замоченою пшеницею і зерно обсихає.

Після закінчення завантаження зерно залишають у спокої приблизно на 1 год, поки з-під сіткових люків не припиниться витікання води. Потім на барабані закривають всі люки і здійснюють поворот барабана на 360° для вирівнювання шару зерна з установкою поверхні зерна в горизонтальне положення. Після обсихання зерно протягом 1 год помірно продувається зволоженим повітрям при максимальному перекритті вихідного повітряного каналу.

Процес солодовирощування регулюється температурою повітря, що відходить, обертанням барабана і тривалістю затримок, при яких барабан знаходиться у спокої. Кількість повітря, що проходить через шар зерна, регулюється заслінкою, яка розташована в місці виходу повітря із барабана. Заслінка для входу повітря повинна бути відкрита повністю.

Продування повітрям і обертання барабана виробляють періодично. До продування приступають, коли температура в зерні дорівнює 17-21 °С. Не допускається нагрів солоду понад 22 °С, щоб уникнути надмірного збільшення втрат на дихання. Продування проводиться до тих пір, поки солод охолоне до температури повітря, що поступає. Різниця температур вхідного і вихідного повітря не повинна перевищувати 2-3 °С.

Для вирівнювання температури в товщі зерна, яке пророщують, щоб уникнути його злежування і утворення грудок, здійснюють повороти барабана наступним чином: перший поворот через 12 год після завантаження барабана і наступні повороти через кожні 6 год спокою зерна, тобто чотири повороту на добу.

Вологість пророщувати зерна повинна бути в межах 50-52 %, і така вологість повинна підтримуватися протягом всього періоду солодовирощування, що досягається додатковим зволоженням зерна через водяну центральну трубу. Кількість повітря, яке подається у барабан, повинна бути помірною, щоб уникнути надмірного підсихання зерна, що негативно позначається на його розчиненні.

Повітря, що подається у солодоростильний барабан, кондиціонується у спеціальних камерах. Використовується також і відпрацьоване повітря. Для зниження температури потрібна значно більша кількість повітря, ніж для нормального дихання. Тому ступінь аерації зерна під час пророщування регулюється шляхом повернення відпрацьованого повітря, що пройшло через шар зерна, тобто шляхом рециркуляції повітря. В основному для продування зерна використовують відпрацьоване повітря солодовні, до якого в певній пропорції додають свіже холодне повітря; для цього поступово збільшують відкриття заслінки на вихідному повітряному каналі.

У холодну пору року, коли температура вхідного повітря 10-8 °С і нижче, барабан після його завантаження слід залишати без продування холодним повітрям із метою нагріву зернової маси до 13-14 °С для активізації життєдіяльності зерна. У теплу пору року, коли температура вхідного повітря 13 °С і вище, зерно в перші години пророщування без продування залишати не можна. При такій температурі повітря відразу включають вентилятор і відкривають заслінки на вхідному і вихідному повітроводах.

Тривалість пророщування пшениці для виробництва ферментованого солоду становить: у теплу пору року при температурі повітря у солодовні 17-19 °С – 6 діб; у холодну пору року при температурі в солодовні 14-15 °С – до восьми діб.

На першій стадії пророщення (4-5 днів, залежно від пори року) провітрювання проводять регулярно. При цьому стежать за станом вологості  зерна і при необхідності зволожують. На другій стадії (із 4-го по 6-ий або з 5-го по 8 день, залежно від пори року) приплив повітря обмежують, так як процес розпушення крохмалю йде при обмеженому доступі повітря і, окрім того, зменшуються втрати крохмалю у зерні, викликані забезпеченням активних життєвих процесів. Із часу появи кореневих нащадків шар зерна збільшується і підвищується температура до 18-20 °С. Підвищення температури на цій стадії небажане, оскільки можливий розвиток гнильних мікробів. Для запобігання цього проводять перемішування і охолодження зерна.