Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

До сих пор в различных странах мира от 10 до 50 % выращенной зерновой массы теряется на этапах обработки, сушки и хранения [1]. При этом самые значительные объемы зерна теряются на этапе подготовки его к хранению. Основной причиной потерь считается высокая влажность зерна, поскольку около 40-60 % свежеубранного зерна имеет чрезмерно высокую влажность, которая снижает устойчивость зерна к хранению [2]. Высокая влажность зерновой массы является главным фактором повреждения зерновок, поскольку наличие влаги обеспечивает условия для интенсивного течения собственных обменных процессов, развития микроорганизмов и микробного поражения зерна. Это является причиной того, что уже через несколько суток, а порой и через несколько часов после обмолота и сбора зерно начинает портиться. Происходит это, главным образом, из-за биохимического самосогревания зерна и из-за его гниения, вызываемого плесневыми грибами.

В целом проблему сохранения зерна позволяет решить быстрая его сушка. Но беда в том, что нередко погода портится, вместо погожих дней наступают проливные дожди, которые еще более увлажняют зерно, затрудняют его сбор и доставку до зерносушильных комплексов. Более того, нередко даже обмолоченное зерно остается мокнуть в гуртах без сушки, поэтому оно набухает от воды, а иногда и прорастает. В этих условиях, для уменьшения влажности зерна предлагается воспользоваться тем, что зерновка злаковых культур окружена тонкой оболочкой с функцией полупроницаемой мембраны, которая позволяет «вытягивать» воду из зерновки наружу с помощью гиперосмотического раствора, используя силу осмоса [3].

Иными словами, предложено прямо на поле обезвоживать зерно семейства злаков посредством его орошения гиперосмотическим раствором натрия хлорида [6,7]. Однако, остается не достаточно изученной экономическая целесообразность всего комплекса мер, включающего предварительную гиперосмотическую обработку влажного зерна и последующую его традиционную сушку путем обдувания потоком теплого сухого воздуха.

Цель исследования: определить экономическую эффективность нового способа двухэтапной физико-химической сушки зерна семейства злаков.

Материалы и методы исследования

Проведены лабораторные исследования динамики влажности зерна с использованием пшеницы сорта «Московская 35», ячменя сорта «Абава», овса сорта «Астор» и озимой ржи сорта «Вятка-2». Изучена обезвоживающая эффективность растворов 0,25 %, 7,4 %, 14,8 %, 22,2 % и 29,6 % натрия хлорида при температурных режимах +5°С, +20°С и +40°С. Осмотическая активность растворов натрия хлорида определялась с помощью осмометра марки VAPRO 5600 (USA).

Показатель влажности зерна до и после взаимодействия с растворами натрия хлорида оценивался по динамике изменения их веса (массы). Массу зерна определяли с помощью взвешивания на торсионных аналитических весах марки ВЛА-200 г – М. Твердость зерна определяли по Роквеллу с помощью твердомера «ТК-2М», позволяющего измерять величину удельного деформирующего давления по шкале Брюнеля (в единицах НВ).

Результаты исследования и их обсуждение

Первоначально нами был проведен анализ факторов порчи зерновок злаковых культур (пшеницы, ячменя, овса и ржи) в послеуборочном периоде на территории Российской Федерации. Результаты теоретического анализа привели нас к убеждению, что главным фактором порчи зерна является его высокая влажность, а главным фактором обезвоживания зерновок является облачение их в оболочку с функцией полупроницаемой мембраны. В связи с этим предполагалось, что устранить чрезмерную влажность зерна можно путем его орошения гиперосмотическим раствором натрия хлорида.

Результаты проведенных лабораторных исследований подтвердили это предположение. Оказалось, что помещение в растворы натрия хлорида с осмотической активностью 3000 – 9000 мОсмоль/л воды влажного зерна пшеницы, ячменя, овса и ржи обеспечивает, а влажного зерна гороха, вики, бобов, фасоли и кофе не обеспечивает физико-химическое обезвоживание их зерновок. Более того, зерно семейства бобовых набухает в соленой воде!

Следовательно, гиперосмотическое обезвоживание зерновок возможно только в отношении влажных зерновок семейства злаков и не возможно в отношении зерен семейства бобов.

Причем, эффективность обезвоживающего действия гиперосмотического раствора натрия хлорида на влажные зерна семейства злаков напрямую зависит от величины его осмотической активности и концентрации. Поэтому насыщенный раствор натрия хлорида (раствор, содержащий около 30 % натрия хлорида) обладает максимальной гиперосмотической активностью и обезвоживающим действием.

Кроме этого, показано, что эффективность гиперосмотического обезвоживания зерновок семейства злаков зависит от температуры среды взаимодействия. В частности, показано, что в диапазоне +5 – +40°С выраженность обезвоживающего действия гиперосмотического раствора увеличивается в несколько раз по мере повышения температуры среды их локального взаимодействия. Так, при температуре +40°С гиперосмотическое обезвоживание влажного зерна ржи, ячменя, пшеницы и овса в 3 – 4 раза эффективнее, чем при температуре +5°С.

Помимо этого установлено, что интенсивность обезвоживания зерновок ржи, пшеницы, ячменя и овса тем выше, чем выше их влажность, и наоборот. Так, интенсивность гиперосмотического обезвоживания зерновок овса, ячменя, ржи и пшеницы при влажности 12 % в 2 – 2,5 раза меньше, чем при влажности 40 %. Установлено, что обезвоживающее действие гиперосмотического раствора натрия хлорида на влажные зерновки ржи, пшеницы, ячменя и овса практически не зависит от величины рН в диапазоне кислотности от рН 3,0 до рН 8,0.

Обнаружено, что в течение 3 часов локального взаимодействия зерна пшеницы, ячменя и овса, имеющих влажность 43 %, с насыщенным раствором хлорида натрия, процесс дегидратации зерновок протекает наиболее интенсивно. Зерно ржи, имеющее влажность 43 %, наиболее интенсивно обезвоживается в насыщенном растворе хлорида натрия в течение первых 6 часов их взаимодействия. В последующий период взаимодействия зерновок с насыщенным раствором хлорида натрия процесс гиперосмотического обезвоживания зерна продолжается, но интенсивность его снижается. При этом к концу 3-хсуток взаимодействия содержание воды в зерновках изученных злаковых культур снижается до 14 – 12 % влажности. Дальнейшее сохранение взаимодействия зерна с гиперосмотическим раствором натрия хлорида в течение 30 дней показало, что оно практически не изменяет свою влажность: содержание воды в зерновках остается на уровне 10-12 % влажности. При этом снаружи зерновки покрыты соленым раствором, а сами зерновки при этом остаются несолеными и относительно сухими и очень твердыми: показатель твердости зерновок возрастает более чем в 500 раз!

В качестве примера эффективности гиперосмотического обезвоживания зерна приводим динамику дегидратации зерна озимой ржи сорта «Вятка-2» при орошении его водным раствором 29,6 % натрия хлорида при температуре +20°С, использованным из расчета 0,25 л/кг зерна. Результаты показали, что через 6 часов взаимодействия зерна ржи с насыщенным раствором натрия хлорида при температуре +20°С содержание воды в зерне уменьшается с 33,4 % до 23 % влажности.

Итогом изучения процесса гиперосмотического обезвоживания влажных зерновок ржи, пшеницы, ячменя и овса стало доказательство того, что под действием осмоса свободная вода удаляется из зерновой наружу, за пределы полупроницаемой внутренней мембраны. Анализ полученных результатов показывает, что указанное гиперосмотическое перемещение воды происходит достаточно активно: при температуре 20- 40°С более половины зерновой влаги выводится из зерновок пшеницы, ячменя, овса и ржи через 3 – 4 часа локального взаимодействия с гиперосмотическим раствором хлорида натрия.

Нами в лабораторных условиях была исследована эффективность процесса традиционной сушки влажного зерна потоком теплого сухого воздуха. Обдувание зерна было обеспечено на протяжении 3 минут потоком атмосферного воздуха со скоростью воздушного потока 2 м/с и нагретого до температуры +60°С. Результаты показали, что предварительное помещение влажного зерна злаковых культур в насыщенный раствор натрия хлорида на 3 часа (равно как и орошение зерна насыщенным раствором натрия хлорида в соотношении 4:1), последующее промывание проточной водой в течение 10 секунд ускоряет последующий процесс традиционной сушки более чем в 2 раза. Для сравнения были проведены эксперименты по сушке зерна ячменя и пшеницы в различных режимах. Зерно каждой культуры разделено на 2 порции по 50 грамм. Одна порция зерна была в качестве контроля, другая обрабатывалась физико-химическим способом. Результаты эксперимента приведены в табл. 1. Из этой таблицы видно, что предложенный способ предварительной обработки зерна повышает эффективность сушки до 22 %.

Установлено, что качество обработанного, промытого и высушенного зерна полностью отвечает требованиям ГОСТ 16990-71. Более того, результаты наших исследований показали, что предварительное гиперосмотическое обезвоживание зерен злаковых культур сохраняет всхожесть зерен, не имеющих механических повреждений (лишенных нарушений герметичности) внутренней полупроницаемой оболочки зерновок.

Теоретический расчет экономического эффекта от внедрения технологического процесса предварительной обработки зерна для ускорения процесса сушки приведен в таблице 2. В расчетах использованы значения себестоимости сушки одинакового объема зерна по традиционной технологии и по разработанному способу [5].

Таблица 1

Показатели эффективности сушки зерна в различных режимах

Таблица 2

Расчет экономической эффективности внедрения новой технологической схемы сушки зерна

Таким образом, предварительная гиперосмотическая обработка фуражного зерна семейства злаков ускоряет и повышает эффективность традиционной сушки. Новый технологический процесс предварительной обработки является достаточно простым и его можно реализовать в условиях небольшой сельскохозяйственной организации. Например, в условиях Удмуртской Республики, где в среднем за последние 30 лет производится более 700 тыс.тонн зерна ежегодно [4], применение технологии гиперосмотической обработки фуражного зерна позволит сэкономить только на процессе сушки более 600 тыс.рублей. Основной же эффект за счет снижения потерь зерна ориентировочно по республике может составить 250 млн. рублей.