pełny artykuł (full article) - plik PDF

Leszek Rydzak∗
MOśLIWOŚĆ REGULACJI
WILGOTNOŚCI KOŃCOWEJ ZIARNA PSZENICY
PO PROCESIE NAWILśANIA PRÓśNIOWEGO
Streszczenie. W pracy zaprezentowano wyniki badań procesu nawilŜania próŜniowego trzech
typów ziarna pszenicy. Wodę niezwiązaną po nawilŜeniu ziarna usuwano dwoma sposobami:
przez wirowanie i grawitacyjnie. Stwierdzono znaczące róŜnice wilgotności końcowej ziarna po
procesie nawilŜania próŜniowego, po usunięciu wody niezwiązanej dwoma wybranymi sposobami.
Dzięki temu moŜliwa jest regulacja wilgotności końcowej ziarna pszenicy po procesie nawilŜania
w szerokich granicach.
Słowa kluczowe: nawilŜanie próŜniowe, pszenica, regulacja
WSTĘP
Proces nawilŜania jest powszechnie stosowany w przetwórstwie ziarna zbóŜ i nasion roślin strączkowych. W trakcie nawilŜania w strukturze tych surowców zachodzi
szereg istotnych zmian [Maskan 2001].
Znaczącą rolę pełni nawilŜanie w przygotowaniu pszenicy do przemiału. Decyduje
o wartości wskaźnika wyciągu mąki oraz ma wpływ na jakość otrzymywanych produktów. Po procesie nawilŜania ziarno powinno cechować się kruchym bielmem, przy ciągliwej i elastycznej okrywie [Kiryluk i in. 1999]. Istotnym problemem w młynarstwie
jest równomierne nawilŜenie całej powierzchni okrywy. W wielu zakładach młynarskich
powoduje to konieczność kilkakrotnego nawilŜania tego samego ziarna i długotrwałego
jego leŜakowania. NawilŜanie ziarna ponadto przyczynia się do znacznego rozluźnienia
wiązań okrywy i bielma.
W warunkach przemysłowych proces ten prowadzony jest najczęściej w urządzeniach, w których ziarna są mieszane z odmierzoną dawką wody. Taka idea jego realizacji zapewnia bowiem kontrolę nad stopniem dowilŜenia surowca. Mimo to, istnieją systemy zalewowe nawilŜania ziarna (np. system Steinmetz), w których technolog pozbawiony jest moŜliwości kontroli ilości wody wnikającej w jego strukturę. Takie podejście
zapewnia jednak równomierny dostęp wody do surowca i nie wymaga specjalistycznych
∗ Dr inŜ. Leszek Rydzak, Katedra InŜynierii i Maszyn SpoŜywczych, Akademii Rolniczej w Lublinie
156
Leszek Rydzak
i drogich urządzeń do realizacji całego procesu. W procesie nawilŜania najczęściej stosuje się minimalny poziom dowilŜenia, tj. wilgotność końcową surowców ustala się maksymalnie do 18%. W systemach zalewowych w wielu przypadkach osiągnięcie załoŜonej
wilgotności końcowej nastręcza trudności, gdyŜ po nawilŜeniu nie reguluje się jej poziomu.
Na proces nawilŜania wpływa szereg czynników wynikających z rodzaju surowca
(rodzaj i stan okrywy owocowo-nasiennej, właściwości fizyczne i chemiczne ziarna,
warunki suszenia pozbiorowego, stopień dojrzałości) czy warunków realizacji procesu
(temperatura wody, jej właściwości fizyczne i chemiczne, obecność tlenu, ciśnienie).
Postęp w tej dziedzinie dokonuje się głównie przez poszukiwania w tym drugim obszarze. Znane są prace badawcze na temat nawilŜania surowców ziarnistych w polu elektromagnetycznym czy w wysokich ciśnieniach wspomagających ciśnienie imbibicji.
Wśród nowych trendów w przetwórstwie Ŝywności obserwuje się ekspansję procesów próŜniowych, które na skalę przemysłową stosowane są w pakowaniu produktów
Ŝywnościowych, mieszaniu komponentów sypkich, suszarnictwie itd. Prowadzone są teŜ
prace badawcze dotyczące impregnacji próŜniowej produktów pochodzenia zwierzęcego
i owoców [Guamis i in. 1997, del Valle i in. 1998, Gonzalez i in. 1999, Fito i in. 2001,
Betoret i in. 2003, Chafer i in. 2003,].
W dostępnej literaturze naukowej moŜna znaleźć wiele sprzeczności na temat np.
dróg wnikania wody do ziarna. Brakuje teŜ badań nad zastosowaniem podciśnienia w
przetwórstwie surowców ziarnistych.
CEL PRACY
Celem pracy było ukazanie moŜliwości regulacji wilgotności nawilŜonego ziarna
pszenicy, co szczególnie ma znaczenie podczas nawilŜania prowadzonego w podciśnieniu, gdzie ilość wody wnikającej w strukturę ziarna jest znacznie większa niŜ w procesie
tym prowadzonym w warunkach ciśnienia atmosferycznego.
METODYKA BADAŃ
Surowiec badawczy stanowiło oczyszczone ziarno pszenicy pochodzące z przemysłowego zakładu młynarskiego, niejednolite odmianowo. Badano trzy typy ziarna: pszenicę niskoglutenową (NG), wysokoglutenową (WG) i twardą (T). Przed nawilŜaniem
przeprowadzono ocenę jakościową ziarna, oznaczając: wilgotność, gęstość w stanie
zsypnym i utrzęsioną, kąt zsypu, masę 1000 ziaren, szklistość, zawartość białka i glutenu
oraz liczbę opadania i sedymentacji (wg obowiązujących norm).
Surowce badawcze nawilŜano w systemie zalewowym w ciśnieniu atmosferycznym
(100 kPa – kontrola) i ciśnieniu 5 kPa, w temperaturze 15oC. Badanie procesu nawilŜania surowców przeprowadzono na stanowisku pomiarowym przedstawionym na rys. 1.
Po umieszczeniu komory próŜniowej w ultratermostacie ustalano temperaturę procesu nawilŜania. Woda nawilŜająca miała temperaturę zbliŜoną do temperatury panującej w komorze. RóŜnice tych temperatur nie wynosiły więcej niŜ ±1°C. Następnie w
komorze umieszczano pojemnik z odwaŜoną próbką ziarna o masie 40 g. Po wypełnieniu przewodów hydraulicznych wodą, zamykano komorę i po otwarciu zaworu łączące-
MOśLIWOŚĆ REGULACJI WILGOTNOŚCI KOŃCOWEJ ZIARNA PSZENICY...
157
go z pompą próŜniową ustalano poziom ciśnienia. Po ustaleniu ciśnienia zamykano
zawór łączący ze zbiornikiem wodnym. Próbka kaŜdorazowo zalewana była porcją wody o objętości około 0,2 dm³.
Natychmiast po zalaniu próbki sprowadzano ciśnienie gwałtownie do atmosferycznego i pobierano próby po czasie kontaktu ziarna i czynnika nawilŜającego, wynoszącym 30 s oraz 5, 15, 30 i 60 min.
Po nawilŜeniu wodę niezwiązaną usuwano dwoma metodami:
– grawitacyjnie, przez pozostawienie swobodne ziarna w pojemniku z siatki na okres
5 min,
– przez wirowanie ziarna w wirówce filtracyjnej o prędkości obrotowej bębna
1000 min-1 i jego średnicy 20 cm przez okres 3 min.
Po usunięciu wody niezwiązanej badano wilgotność końcową ziarna metodą suszarkową zgodnie z normą PN-86/A-74011.
Rys. 1. Schemat stanowiska pomiarowego do badania procesu nawilŜania metodą zanurzeniową
w warunkach podciśnienia: 1 – komora próŜniowa, 2 – ultratermostat, 3 – pokrywa, 4 – pompa
próŜniowa, 5 – zbiornik, 6 – pojemnik na surowiec
Fig. 1. A draft of the measurement stand for testing the moistening process by the immersing
method in the conditions of hypotension: 1 – vacuum chamber, 2 – ultrathermostat, 3 – cover,
4 – vacuum pump, 5 – tank, 6 – container for the raw material
Wyniki badań poddano analizie istotności wpływu sposobu usuwania wody na wilgotność końcową ziarna. Analizę tę przeprowadzono za pomocą wielokrotnych przedziałów ufności Tukey’a na poziomie istotności α = 0,05.
158
Leszek Rydzak
WYNIKI BADAŃ
Wyniki badań właściwości pszenic
Wyniki badań właściwości fizycznych i technologicznych pszenicy niskoglutenowej (NG), wysokoglutenowej (WG) oraz twardej (T) zamieszczono w tab. 1.
Tabela 1. Właściwości fizyczne i technologiczne badanych typów pszenic
Table 1. Physical and technological properties of the tested wheat types
Badana cecha
Wilgotność początkowa wp %
Gęstość w stanie zsypnym ρz kg m-3
Gęstość utrzęsiona ρu kg m-3
Masa 1000 ziaren m1000 g
Kąt zsypu αz o
Szklistość ziarna sz %
Zawartość białka zb %
Zawartość glutenu zg %
Liczba opadania lo s
Liczba sedymentacji ls ml
NG
11,9
749
775
42,1
21
41
11,3
22,1
376
24
WG
11,8
763
785
43,8
21
63
13,8
30,6
316
48
T
11,2
787
798
40,3
20
79
14,6
32,1
310
44
Badane typy pszenic wykazywały się znaczną róŜnorodnością liczbowych wartości
właściwości fizycznych i technologicznych. Badania tych właściwości potwierdziły
wysoką jakość przetwórczą badanych surowców.
Wpływ sposobu usuwania wody na wilgotność pszenic
Na rys. 2–4 przedstawiono zaleŜność wilgotności pszenic: niskoglutenowej (NG),
wysokoglutenowej (WG) i twardej (T) po nawilŜaniu w ciśnieniu 5 kPa i atmosferycznym (kontrola) w funkcji czasu trwania procesu dla dwóch sposobów usuwania wody
niezwiązanej (przez osuszanie grawitacyjne – G i wirowanie – WIR).
Wilgotność pszenicy NG uzyskana w wyniku nawilŜania i osuszania grawitacyjnego po czasie półminutowego kontaktu z wodą wyniosła 26,1% (dla ziarna nawilŜanego
w ciśnieniu 5 kPa) i 23,5% (dla ziarna nawilŜanego w ciśnieniu atmosferycznym). Natomiast w efekcie nawilŜania i wirowania po tym samym czasie ziarno pszenicy miało
wilgotność 15,7% (ciśnienie 5 kPa) i 12,6% (ciśnienie atmosferyczne). Po 60minutowym nawilŜaniu pszenica osuszana grawitacyjnie charakteryzowała się wilgotnością końcową o 187% (ciśnienie 5 kPa) i o 165% (ciśnienie atmosferyczne) wyŜszą w
stosunku do początkowej, natomiast ziarno wirowane odpowiednio o 79 i o 73% większą.
Wilgotność końcowa ziarna pszenicy WG osuszanej grawitacyjnie po czasie nawilŜania 30 s w ciśnieniu 5 kPa wyniosła 24,1%, a w przypadku ziarna poddanego wirowaniu tylko 14,2%. W tym czasie ziarno nawilŜane w ciśnieniu atmosferycznym uzyskało
wilgotność końcową na poziomie 18% (G) i 12,4% (WIR). Po nawilŜaniu przez 60 min
ziarno osuszane grawitacyjnie charakteryzowało się wzrostem wilgotności na poziomie
164% (ciśnienie 5 kPa) i 123% (ciśnienie atmosferyczne), zaś ziarno wirowane – odpowiednio 47 i 34%.
MOśLIWOŚĆ REGULACJI WILGOTNOŚCI KOŃCOWEJ ZIARNA PSZENICY...
159
35
wilgotność początkowa 11,9 %
30
G p=5 kPa
WIR p=5 kPa
G kontrola
WIR kontrola
w [%]
25
20
15
10
0,5
5
15
30
60
czas [min]
Rys. 2. Zmiany wilgotności pszenicy niskoglutenowej w czasie procesu nawilŜania prowadzonego
w ciśnieniu 5 kPa i ciśnieniu atmosferycznym (kontrola) dla dwóch sposobów usuwania wody
niezwiązanej; G – osuszanie grawitacyjne, WIR – wirowanie; temperatura procesu 15oC
Fig. 2. Changes in the moisture of low-gluten wheat during the moistening process carried out
under the pressure of 5 kPa and the atmospheric pressure (control) for two methods of unbounded
water removal (G – gravitational drying, WIR – centrifugation); the temperature of the process 15 oC.
35
wilgotność początkowa 11,8 %
30
G p=5 kPa
WIR p=5 kPa
G kontrola
WIR kontrola
w [%]
25
20
15
10
0,5
5
15
30
60
czas [min]
Rys. 3. Zmiany wilgotności ziarna pszenicy wysokoglutenowej w funkcji czasu trwania procesu
nawilŜania prowadzonego w ciśnieniu 5 kPa i ciśnieniu atmosferycznym (kontrola) przy dwóch
sposobach usuwania wody niezwiązanej (G – osuszanie grawitacyjne, WIR – wirowanie)
Fig. 3. Changes in the moisture of high-gluten wheat in the function of the moistening process
duration carried out under the pressure of 5 kPa and the atmospheric pressure (control) for two
methods of unbounded water removal (G – gravitational drying, WIR – centrifugation)
Wilgotność pszenicy twardej uzyskana po czasie półminutowego nawilŜania w ciśnieniu 5 kPa i osuszanego grawitacyjnie wynosiła 26,5%, natomiast ziarno nawilŜane w
analogicznych warunkach poddane wirowaniu charakteryzowało się wilgotnością na
160
Leszek Rydzak
poziomie 15,8%. W ciśnieniu atmosferycznym przyrost wilgotności ziarna nawilŜanego
w tym czasie i poddanego osuszaniu grawitacyjnemu (G) wyniósł 106%, podczas gdy
dla ziarna wirowanego kształtował się na poziomie tylko 40%.
W efekcie nawilŜania ziarna pszenicy twardej w czasie 60 min i w ciśnieniu 5 kPa
wzrost wilgotności ziarna osuszanego grawitacyjnie wynosił 178%, a ziarna wirowanego
– 74%. W ciśnieniu atmosferycznym natomiast wilgotność ziarna przyrosła o 143 (G) i
53% (WIR) w stosunku do wilgotności początkowej. Podobnie jak w przypadku poprzednich badanych surowców, przyjęte sposoby usuwania wody niezwiązanej dawały
szerokie moŜliwości regulacyjne wartości wilgotności końcowej ziarna.
35
wilgotność początkowa 11,2 %
30
G p=5 kPa
WIR p=5 kPa
G kontrola
WIR kontrola
w [%]
25
20
15
10
0,5
5
15
30
60
czas [min]
Rys. 4. Zmiany wilgotności pszenicy twardej w czasie procesu nawilŜania prowadzonego w ciśnieniu 5 kPa i ciśnieniu atmosferycznym (kontrola) przy dwóch sposobach usuwania wody niezwiązanej; G – osuszanie grawitacyjne, WIR – wirowanie
Fig. 4 Changes in the moisture of hard wheat during the moistening process carried out under the
pressure of 5 kPa and the atmospheric pressure (control) for two methods of unbounded water
removal (G – gravitational drying, WIR – centrifugation)
Wyniki badań nawilŜania pszenic poddano analizie istotności wpływu sposobu
usuwania wody niezwiązanej na ich wilgotność końcową. Analizę tę przeprowadzono za
pomocą wielokrotnych przedziałów ufności Tukey’a na poziomie istotności α<0,05 (tab. 2).
Tabela 2. Analiza istotności wpływu sposobu usuwania wody na wilgotność końcową pszenic*
Table 2. A significance analysis of the water removal method on the wheats final moisture
Czynnik
Sposób usuwania wody
niezwiązanej
Wartość
G
WIR
Pszenica
NG
a*
b*
Pszenica
WG
a
b
Pszenica
T
a
b
* ten sam wskaźnik literowy oznacza brak istotnych róŜnic
Analiza ta potwierdziła istotny wpływ sposobu usuwania wody niezwiązanej na
wartość wilgotności końcowej pszenic.
MOśLIWOŚĆ REGULACJI WILGOTNOŚCI KOŃCOWEJ ZIARNA PSZENICY...
161
WNIOSKI
1.
2.
Sposób usuwania wody pozostającej na powierzchni ziarna po nawilŜeniu ma znaczący wpływ na jego wilgotność końcową.
RóŜnice wilgotności między ziarnami poddanymi osuszaniu grawitacyjnemu i wirowaniu są znaczne i sięgają nawet ponad 10%. Stwarza to duŜe moŜliwości regulacji wilgotności końcowej.
PIŚMIENNICTWO
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Kiryluk J., Kawka A., Chalcarz A., Anioła J. 1999: Wpływ wilgotności ziarna jęczmienia
na skład chemiczny i wydajność produktów przemiału. Prz. ZboŜ. Młyn. 3, 29–30.
Maskan M. 2001: Effect of maturation and processing on water uptake characteristics of
wheat. J. Food Eng. 47, 51–57.
Betoret N., Puente L., Diaz M.J., Pagan M.J., Garcia M.J., Gras M.L., Martinez-Monzo
J., Fito P. 2003: Development of probiotic-enriched dried fruits by vacuum impregnation.
J. Food Eng. 56, 273–277.
Gonzalez C., Fuentes C., Andres A., Chiralt A., Fito P. 1999: Effectiveness of vacuum
impregnation brining of Marchengo-type curd. Int. Dairy J. 9, 143–148.
Guamis B., Trujillo A.J., Ferragut V., Chiralt A., Andres A., Fito P. 1997: Ripening
Control of Marchengo Type Cheese Salted by Brine Vacuum Impregnation. Int. Dairy J. 7,
185–192.
Chafer M., Gonzalez-Martinez C., Chiralt A., Fito P. 2003: Microstructure and vacuum
impregnation response of citrus peels. Food Res. Int. 36, 35–41.
Fito P., Chiralt A., Barat J.M., Andres A., Martinez- Monzo J., Martinez- Navarrete N.
2001: Vacuum impregnation for development of new dehydrated products. J. Food Eng. 49,
297–302.
Valle del J.M., Aranguiz V., Diaz L. 1998: Volumetric Procedure to Assess Infiltration
Kinetics and Porosity of Fruits by Applying a Vacuum Pulse. J. Food Eng. 38, 207–221.
A POSSIBILITY OF WHEAT GRAIN FINAL MOISTURE CONTROL
AFTER THE VACUUM MOISTENIG PROCESS
Summary. : The paper presents results of research on the process of vacuum moistening of three
kinds of wheat grain. After grain moistening, the unbound water was being removed by two methods: by centrifugation and gravitationally. Significant differences were found out in the grain final
moisture after the process of vacuum moistening, following the unbound water removal using the
two chosen methods. Hence, a wide range of control of wheat grain final moisture will be possible.
Key words: vacuum moistening, wheat, control
Recenzent: prof. dr hab. Leszek Mościcki