Продукты обрушения семян рапса: разделение и оценка качества
Рапс (Brassica napus L.) — важнейшая масличная культура, экономическое значение которой в последние десятилетия существенно возросло, главным образом благодаря его широкому использованию для получения биодизеля. Вместе с тем многими исследователями отмечается, что продукты переработки рапсовых семян имеют широчайшие перспективы для кормопроизводства и пищевой промышленности. Это объясняется прежде всего исключительно богатым биохимическим составом как целых семян рапса, так и отдельных их частей (рис. 1).
В первую очередь семена рапса характеризуются высоким содержанием белка (степень усвояемости >80%), доля которого существенно возрастает после удаления масла (жмыхи и шроты) и оболочки. Оболочка рапса содержит много грубой клетчатки, фитиновой кислоты, фенолов, танина и других антиалиментарных веществ. Высокая доля клетчатки (шелухи) в жмыхах и шротах накладывает ограничения на их использование.
Антипитательными веществами, сдерживающими широкое применение рапса в пищевой промышленности и кормопроизводстве, являются глюкозинолаты, наличие которых придает продуктам горький вкус. Вместе с тем в значительной части влияние антипитательных факторов можно снизить за счет таких технологических процессов, как обрушение (предварительное удаление оболочки) и (или) гидротермическая обработка.
Эффективность обрушения семян рапса во многом определяется их физико-механическими и технологическими характеристиками. Процесс обрушения осложняет плотное прилегание семенной оболочки к семядолям (ядру) (рис. 2).
Семена рапса относятся к мелкосемянным, диаметр семени в среднем колеблется от 0,9 до 2,2 мм, масса 1000 семян — от 2,5 до 5,0 г у яровой формы и от 4,0 до 7,0 г — у озимой. При этом значительная часть семени приходится на оболочку — 16–20% от его массы. Эффективность процесса отделения семенной оболочки от ядра определяется их влажностью и прочностными свойствами. Наиболее оптимальным для обрушения является повышенная сухость оболочки при пластичности ядра, достаточной для сохранения его целостности.
Изотерма равновесного влагосодержания рапса (рис. 3) сопоставима с изотермой для мелкосемянного льна, но при этом она, например, несколько выше, чем у конопли.
Увеличение содержания масла имеет обратную корреляцию с равновесной влажностью семян, при этом структура оболочки имеет значительно большую гигроскопичность, чем ядро.
В качестве модели для равновесного влагосодержания семян рапса может быть использована, например, модель Освина в виде:
В ходе определения коэффициентов модели их значения составили, соответственно, U =10,9 и К = 0,032 при R2 = 0,985.
В целом предварительное отделение ядра от оболочек (обрушение) стоит рассматривать как один из основных процессов улучшения технологий получения пищевых и кормовых рапсопродуктов высокого качества. В частности, существенно повышается выход масла за счет исключения его адсорбции оболочками, улучшаются его качественные характеристики. Одновременно возрастает производительность маслоэкстракционного оборудования за счет снижения его загрузки низкомасличным балластным материалом. Вырабатываемый по данной технологии шрот богат белком и может успешно применяться в качестве высокобелкового сырья для нужд перерабатывающей промышленности.
Данный факт особенно актуален, учитывая, что, по имеющимся прогнозам, дефицит белка в питании населения планеты к 2050 г. будет составлять более 30 млн т в год. В связи с этим многими специалистами отмечается, что развитие технологий переработки семян масличных культур в целом и рапса в частности в современных условиях приобретает существенное значение и способствует проведению отдельных исследовательских работ.
Цель работы — изучение в лабораторных условиях различных режимов дробления семян рапса и их последующего фракционирования с выделением белково-жировой компоненты в виде дробленого ядра и оболочек.
Материалы и методы исследования
Исследования выполняли в 2023–2025 гг. в условиях Научно-технического центра Группы компаний «Мелком» в лаборатории переработки лубяных культур ФНЦ ЛК и кафедры агробиотехнологий, перерабатывающих производств и семеноводства Тверской ГСХА (г. Тверь).
Объект исследований — семена ярового рапса 00-типа, выращенные в Центральном районе России, соответствующие требованиям ГОСТ 10583-76. Фракционный состав семян рапса определяли ситовым анализом (сита штампованные с круглыми отверстиями), руководствуясь требованиями ГОСТ 30483-97.
Обрушение семян рапса проводили посредством классических для мукомольно-крупяного производства операций: измельчение (дробление), ситовое и пневмосепарирование. Стоит отметить, что в общем случае на результативность обрушения оказывают влияние последовательность операций (технологическая схема) и их режимы: метод дробления и связанные с ним параметры, скорость воздуха в пневмоканалах пневмосепараторов (ПС), количество и параметры сит в рассевах. Технологические схемы обрушения семян рапса, примененные в экспериментах, представлены на рисунках 4, 5.
Дробление семян рапса в рамках эксперимента проводили на опытном образце центробежной лабораторной дробилки, специально разработанной и изготовленной для контролируемого шелушения семенных материалов, которые за счет попадания на быстровращающийся рабочий диск под действием центробежных сил разгоняются и ударяются о деку (отбойное кольцо). Интенсивность разрушения структуры семян в данном случае определяется скоростью их удара о деку. В качестве регулируемых факторов при разработке режимов дробления семян рапса выступали частота вращения рабочего диска Nд (1-й режим — 2615, 2-й режим — 3115 мин.-1) и скорость периферии рабочего диска Vш (1-й режим — 34, 2-й режим — 41 м/с).
Для ситового сепарирования полученной рушанки использовали лабораторные металлотканые сита с обечайками из ПНД в комплекте с рассевом РЛ-5МЦ (ООО «НПП “Приборинформ”», Россия). Отвеивание оболочек производили на лабораторном пневмосепараторе Petkus К-293 (PETKUS Technologie GmbH, Германия) с контролируемой при помощи анемометра DT-8880 (Shenzhen Everbest Machinery Industry Co., LTD, Китай) скоростью воздуха в пневмоканале.
Дополнительным этапом стало исследование возможности использования фотосепарирования для разделения рушанки с использованием фотосепаратора (ФС) «Сапсан» (ООО «Смарт Грэйд», Россия).
Биохимическую оценку продуктов обрушения выполняли в соответствии с действующими нормативно-методическими документами: белок по Барнштейну, так как этот метод позволяет наиболее полно установить содержание белкового азота не только в продуктах микробного синтеза, но и в однокомпонентных материалах кормового назначения — ГОСТ Р 57221-2016; жир — по ГОСТ 10857-64; лигнин и целлюлоза — по ГОСТ ISO 13906-2013; влажность — по ГОСТ 10856-96.
Математическую обработку результатов исследований осуществляли с использованием прикладного программного комплекса MS Excel (США).
Результаты и обсуждение
Определено, что используемые для обрушения семена рапса имели исходный фракционный состав (рис. 6).
На рисунке 7 представлены исследуемые режимы и данные по выходу продуктов обрушения по схеме рисунка 5.
При обрушении семян рапса были получены такие продукты, как ядро, мучка, оболочка. На следующем этапе мучка была разделена на фракции: осадок, относы. Внешний вид полученных продуктов при разных режимах представлен на рисунках 8, 9.
Из рисунков 8, 9 видно, что внешне продукты обрушения при различии режимов дробления выглядят достаточно одинаково. Вместе с тем при первом режиме несколько более засорено недорушем ядро и менее — оболочками осадок мучки. Как и следовало ожидать, с возрастанием скорости удара семян о деку наблюдаются возрастание доли мучки и снижение доли ядра и оболочек. Однако на указанных режимах дробления было получено практически одинаковое суммарное количество наиболее ценных продуктов — ядра и осадка мучки. Общее содержание ядра и осадка составило порядка 75%.
Характеристики режимов, используемых при реализации обрушения семян рапса по схеме рисунка 6, и их влияние на выход фракций материалов даны в таблице 1.
Натурные результаты обрушения семян рапса по схеме рисунка 5 представлены на рисунке 10.
Общий процент выхода ядра и осадка при реализации второй схемы обрушения составил 82,6%.
В таблице 2 представлены химические характеристики фракций, полученных при обрушении семян рапса по схеме рисунка 6. Анализ полученных материалов выявил их различия по содержанию белка и жира, подтвердив возможность выделения белково-жировой фракции из продуктов обрушения семян рапса. Выделенное очищенное ядро богато белком (21,7%) и жиром (37,4%) и является основным сырьем для получения рапсового масла высокого качества. При этом обезжиренная фракция ядра представляет ценный источник белка, в котором отсутствуют антипитательные вещества, прежде всего лигнин и другие фенольные соединения, находящиеся в оболочке семян рапса. Осадок мучки представляет дополнительный продукт фракционирования с высоким содержанием белка.
Улучшение процесса разделения ядра и оболочек при эксплуатации пневмосепараторов достигается посредством увеличения скорости воздушного потока. Однако указанное изменение рабочего режима имеет недостаток в виде сокращения выхода ядра. Повысить уровень очистки ядра от оболочек удается за счет повышения скорости воздуха при пневмосепарировании соответствующих фракций, но при этом будет снижаться выход ядра.
Стоит отметить, что снизить прочностные характеристики оболочки семян представляется возможным за счет предварительного подсушивания семенного материала, приводящего к охрупчиванию оболочки. В плане оптимизации технологического режима это позволяет в первую очередь снизить эффективную скорость периферии диска дробилки и увеличить долю крупной фракции ядра.
В результате отдельных исследований было установлено, что для разделения ядра и примеси, имеющих ярко выраженное цветовое различие, возможно успешно использовать фотосепарирующие установки.Так, в частности, было определено, что в системе RGB спектры ядра и оболочек существенно различаются, как это к примеру видно из данных таблицы 3.
На рисунке 11 представлены результаты очистки ядра рапса после его обрушения и последующего фотосепарирования на установке «Сапсан» (режимы: окно — 8, число пикселей — 20, чувствительность — 5).
Примечательно, что ядро после извлечения масла может найти широкое применение не только в качестве самостоятельного высокобелкового сырья для обогащения различных продуктов, но и служить материалом для экстрагирования белка с получением белкового концентрата или изолята, которые могут успешно использоваться в пищевой промышленности при изготовлении хлебобулочных и иных изделий, сбалансированных по аминокислотному составу.
Выводы
В результате работы установлено, что посредством оптимизации процесса обрушения семян рапса возможно выделение из них более 80% белково-жирового продукта. Непосредственно ядро используется для извлечения масла с последующим использованием вторичных продуктов в виде высокобелкового сырья для пищевой и кормовой промышленности. Другие фракции, которые в сумме составляют около 20%, после дополнительного пневмосепарирования могут быть применены в кормах.
При разработке технологических режимов следует иметь в виду, что итоговые результаты обрушения, характеризующиеся выходом очищенной фракции ядра, определяются множественными факторами: влажностью семенного материала, скоростью рабочего органа измельчающей машины, особенностями сит, скоростью воздуха при пневмосепарации, последовательностью техпроцесса. Учитывая ярко выраженное цветовое различие ядра и примеси, для фракционирования и отделения необрушенных семян можно успешно использовать фотосепаратор. Таким образом, при сравнительно небольших потерях удается существенно повысить качество фракции ядра при обрушивании семян рапса. Выделенное ядро богато белком (21,7%) и жиром (37,4%), но при этом в нем отсутствуют антипитательные вещества, прежде всего лигнин и другие фенольные соединения, находящиеся в оболочке семян рапса.
Об авторах
Сергей Васильевич Зверев 1, доктор технических наук, профессор
zverevsv@yandex.ru https://orcid.org/0000-0002-6136-1796
Ирина Эдуардовна Миневич 2, доктор технических наук, главный научный сотрудник
i.minevich@fnclk.ru https://orcid.org/0000-0002-8558-4257
Александр Сергеевич Васильев 3, доктор сельскохозяйственных наук, доцент, заведующий кафедрой
vasilevtgsha@mail.ru https://orcid.org/0000-0002-0936-2011
Елена Николаевна Чумакова 3, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент elena.chumakova.ne@mail.ru https://orcid.org/0000-0002-4664-8887
1 АО «Группа компаний “Мелком”», Вокзальная ул., 9, Тверь, 170100, Россия
2 Федеральный научный центр лубяных культур, Комсомольский пр-т, 17/56, Тверь, 170041, Россия
3 Тверская государственная сельскохозяйственная академия, ул. им. Маршала Василевского (Сахарово), 7, Тверь, 170904, Россия
УДК 664.788.4
DOI: 10.32634/0869-8155-2025-396-07-164-171
