Aprómagvak szárítása és pattogatása Sikolya László 1 Kalmár Imre 2 1 Nyíregyházi Főiskola, Műszaki és Mezőgazdasági Főiskolai Kar, Nyíregyháza 4400 Nyíregyháza, Rákóczi u. 69 Tel.: 42/ 599 434, Fax: 42/433 404, E-mail: sikolya@nyf.hu 2 Tessedik Sámuel Főiskola, Mezőgazdasági Főiskolai Kar, Mezőtúr 5400 Mezőtúr, Petőfi tér 1. Tel.: 65/ 351 070, Fax: 56/350 465, E-mail: kalmi@mfk.hu ÖSSZEFOGLALÓ Kulcsszavak nedvességtartalom, szárítás, pattogatás, levegő sebessége, pattogatási hőmérséklet Az Amaránt termesztés és felhasználás kísérleteinek gépesítése Magyarországon című kutatás fő célja, egy perspektivikus, viszonylag igénytelen, kis anyagi befektetést igénylő, de viszonylag elfogadható hasznot hozó, az egészséges és korszerű táplálkozást kielégítő növény termesztéstechnológiájának kidolgozása, gépesítésének megvalósítása kisgazdaságok számára, komplex módon a vetéstől egészen a felhasználásig, félkész termékek előállításáig hozzájárulva ezzel egy stabil, széleskörű piac megteremtéséhez. A termesztéstechnológia és a felhasználás problematikáját a mag nagyon kis mérete okozza. Ezért a szárítással, a pattogatással, a felhasználással, külön foglalkoztunk és kidolgoztunk egy új szárítási és pattogatási eljárást. Modelleztük a szárítást és a pattogatást és meghatároztuk gyakorlati úton is azokat a jellemzőket és paramétereket, amelyek befolyásolják a legnagyobb térfogatnövekedés elérését a pattogatás során. Vizsgáltuk a szárított és pattogatott termék tulajdonságait és beltartalmi értékeit és megállapítottuk hogy ezek nem károsodnak nagymértékben, a termék fogyasztásra alkalmas. Kifejlesztettünk úgy a szárításra, mint a pattogatásra egyegy berendezést. A kutatást, a kísérleteket folytatjuk és vizsgáljuk többféle aprómag szárítási és pattogatási feltételeit, körülményeit. BEVEZETÉS A mezőgazdasági termőterület tulajdon- és birtoknagyság átrendeződése gyakorlatilag a 90-es években kezdődött el, és mind a mai napig tart. A megváltozott viszonyokhoz igazodva a szakemberek (kutatók, termelők) célul tűzték ki a kis termesztési területen fajlagosan nagyobb hozamot adó, kevésbé tőkeigényes növényi kultúrák felkutatását, termesztési technológiájuk, felhasználásuk gépesítésének kidolgozását. Az egyik ilyen perspektivikus növény az amaránt. Az amaránt termesztésének gépesítése, tárolása és széleskörű alkalmazása különböző gépek fejlesztését és elkészítését igényelte. Az amaránt termesztésekor a kis magméret és a magvak nem egyenletes érése miatt a kisgazdaságokban a kétmenetes betakarítás vált be. A tartós és biztonságos tárolás érdekében a magot mesterségesen célszerű egyensúlyi nedvességtartalomra szárítani, illetve a nagyobb haszon reményében félkész terméké alakítani, azaz pattogatni. 192
Szárítási és pattogatási kísérleteinket a fent említett növény magvaival kezdtük, de eredményeink felbátorítottak a kifejlesztett gépek szélesebb körű felhasználására is. FEJLESZTŐ MUNKA CÉLKITŰZÉSE A nagyobb nedvességtartalommal (20-25 %) betakarított termés nedvességtartalmát a tárolhatósági határérték (14 %) alá kell csökkenteni. A viszonylag kis szárítandó mennyiség, a magvak mérete ( 1,3 x 0,9 mm, lencse alakú), a kis területen termesztett termény fajlagosan nagyobb értéke, a kisüzemi körülményeknek megfelelő, a nagyüzemitől és a természetes szárítástól eltérő technológia és szárítóberendezés kialakítását tette szükségessé. Célul tűztük ki egyes nagyértékű termények, növényi magvak kisüzemi szárításának technológiai és technikai megoldásainak kidolgozását. Mivel élelmiszerként a pattogatott amaránt alkalmazható a legváltozatosabb formákban, a konzerv-, sütő-, édességiparban, valamint a reform táplálkozás alapanyagaként is, így nyilvánvalóvá vált, hogy ezt az előállítási élelmiszeripari technológiát kell kidolgozni. A hagyományos pattogatás technológiái nem voltak alkalmazhatók az amaránt mag pattogatására, a mag nagysága és szerkezete miatt, ezért célul tűztük ki egy új pattogatási eljárás kidolgozását és egy új ipari pattogató berendezés kifejlesztését, tervezését megépítését. AZ ELVÉGZETT FEJLESZTÉSI TEVÉKENYSÉG A célkitűzés eléréséhez elvégzendő feladatok alapvetően két feladatcsoportra: a kisgazdasági viszonyoknak megfelelő szárítási és pattogatási technológiák kialakítására valamint a szárító és pattogató berendezések kifejlesztésére bonthatók. A megfelelő szárítási és pattogatási technológiák kialakítása: szárítási és pattogatási követelmények megismerése, szárítási és pattogatási kísérletek, elvi technológiai javaslatok kialakítása, A szárító és pattogató berendezések kifejlesztése: a követelményrendszerek meghatározása, a fő gépfunkciók meghatározása, a fő szerkezeti egységek megtervezése, kísérletek végzése az egyes részegységekkel, részegységek módosítása, kísérleti gépek kivitelezése, az új szárító- és pattogató berendezések funkcionális vizsgálata. A szárít- és pattogató berendezésekkel szemben támasztott követelmények A fejlesztési folyamat első lépéseként megfogalmazott követelményrendszer a kifejlesztendő berendezések üzemi jellemzőire, teljesítményére, üzemeltetésére: a szárítási kapacitás 1 t/műszak nagyságrendű legyen, a pattogatási kapacitás érje el 100kg/műszak nagyságrendet, kíméletes hőkezelési üzemmódot valósítson meg, 193
a kisgazdasági követelményeknek megfelelően a berendezéseknek legyen egyszerű felépítésük és üzemeltetésük, normál belmagasságú építményben legyenek üzemeltethetők, elektromos erőforrásául 220 V-os hálózat elegendő legyen, a hőfokok beállítása és szabályozása legyen ellenőrizhető mind a két berendezésnél, a szárító berendezés legyen: mobil, emberi erővel mozgatható és szállítható személygépkocsi utánfutóval, a berendezések legyenek energiatakarékosak, a pattogató berendezés esetében a légsebesség állítható, szabályozható A SZÁRÍTÁS ÉS A SZÁRÍTÓBERENDEZÉS ISMERTETÉSE A módosított főtervnek megfelelő szárító berendezés kísérleti példányát elkészítettük. A berendezés fotója az 1. ábrán látható. 1. ábra. a kifejlesztett kisüzemi szárítóberendezés Fő szerkezeti egységek: gyűrűakna, gyűrűpárok, betároló garat, ürítő szerkezet, ventilátor, hőlégfúvó, hőmérséklet mérő A kisüzemi gyűrűaknás szárító főbb műszaki paraméterei: 194
Befoglaló méretek: hosszúság: 1600 mm szélesség: 1050 mm magasság: 2150 mm A gyűrűk méretei: külső gyűrű átmérő: 550 mm belső gyűrű átmérő: 450 mm fűtőzóna magassága: 1200 mm Teljes feltöltési mennyiség: 150 dm 3 Szárítási teljesítmény: 100 kg/h (amaránt 10 % nedvességelvonásnál) A szárítás munkamenete 1. A szárító üzemi helyzetbe állítása PB palack csatlakoztatása a hőmérséklet érzékelők felszerelése a ventilátor és hőmérsékletmérő csatlakoztatása a 220 V-os hálózatra 2. Szárító feltöltése teljes feltöltési mennyiséggel 3. A ventilátor indítása 4. A hőlégfúvó indítása ventilátor indítás begyújtás 5. A szárító felfűtése 6. Kitárolás 5-10 percenként, a maghőmérséklet függvényében: ajánlott kitárolási hőmérséklet min. 45 max. 50 o C kitárolási mennyiség: 10-12 dm 3 7. Visszatöltés: az első 6 ürítés visszatöltése a folyamatos üzem biztosításához 8. A bemenő levegő hőmérséklet és a mag hőmérséklet figyelése 9. Kitárolás a 6. pont szerint 10. Utántöltés szükség szerint 11. A munka befejezése a gázellátás megszüntetése, a ventilátorok kikapcsolása, az elektromos csatlakozások megszüntetése, a hőmérsékletérzékelők és műszer leszerelése. A szárító csak a fűtőzóna teljes feltöltése mellett működik. A tevékenység befejezésekor szárított anyaggal kall utántölteni a berendezést 8 kitárolási üzemig. Így biztosítható a teljes mennyiség leszárítása. A funkcionális vizsgálatok eredménye A vizsgálat célja az elkészített gyűrűaknás szárítóberendezés funkcionális működésének ellenőrzése volt. A vizsgálat menete: 1. A szárítandó termény nedvességtartalmának meghatározása 2. A termény nedvesítése kb. + 10 %-ig 3. A szárítási folyamat elvégzése 4. Mintavétel a folyamatos üzemi kitárolásonként 5. Mintavétel kitárolási ütem növelésével 6. Minták nedvességtartalmának meghatározása 7. Vizsgálati eredmények kiértékelése A méréseket különböző nedvességtartalmú búzával és amaránttal végeztük. A mérési eredményeket az 1. sz. táblázatban foglaltuk össze. 195
1. táblázat A vizsgálati eredmények összefoglalása SZÁRÍTOTT NEDVESSÉG TARTALOM [%] SZÁRADÁSI TERMÉNY SZÁRÍTÁS ELŐTT SZÁRÍTÁS UTÁN IDŐ [min] 14 8 50 BÚZA 22 14 60 16 10 55 AMARÁNT 18 12 50 24 13,5 60 Kitárolási ütem: 10 min Szárítási teljesítmény: ~ 100 kg/h A tapasztalatok alapján a szárítóberendezés alkalmas amaránt szárítására kisüzemi körülmények között. A szárítóberendezés a technológiai paraméterek betartása mellett, egy fő kezelőszemélyzet közreműködésével folyamatosan üzemeltethető. Méreteiből adódóan személygépkocsi utánfutón szállítható, így a szárítás időszakában több helyen is üzemeltethető. Energiaellátása sem igényel különleges megoldásokat, mert 220 V-os villamos hálózatról valamint háztartási gázpalackra történő csatlakoztatással a hőigénye kielégíthető. A PATTOGATÁSI KÍSÉRLETEK ÉS A PATTOGATÓ BERENDEZÉS BEMUTATÁSA Első kísérletünk során a magvak pattogatási vizsgálata kontakthővel történt egy zárt alufólia tartály segítségével. Az eredmények sokat segítettek a későbbiekben, de az is kiderült hogy új eljárást kell kifejleszteni, mivel a magvak egy része megégett. A Nyíregyházi Főiskola műszaki és Mezőgazdasági Karán található szélcsatorna és előző áramlástani kísérleteink adták az ötletet egy fluid ágyas pattogatási eljárás megvalósításához. A pattogatási és lebegtetési kísérleteket az áramlástani szakirodalom áttekintés egy számítógépes modellezés előzte meg. Ezek a kísérletek sok tényezőtől függnek: - légsebesség, - pattogatási hőmérséklet, - a mag nedvességtartalma, - pattogatási idő. A kipattogott anyag íz, szín, külalak szempontjából ízletes, esztétikus kell legyen és a lehető legnagyobb térfogatnövekedést kell elérni. A kutatás során két program is született. Az első program segítségével a fent említett paraméterek figyelembe vételével több feladatot valósítottunk meg: - a lebegtetés pattogatás szimulációját, - a légsebesség kiszámítását, - az irodalmi adatok rögzítését és feldolgozását, hogy összehasonlításképp szolgáljanak méréseinkhez, - a kísérlet során mért adatok rögzítését és feldolgozását, - a legnagyobb térfogatnövekedést biztosító optimális paraméterek kiválasztását. 196
A második program az elsőben leírtakat tudja kivéve az irodalom feldolgozást és az elméleti részeket. Gyakorlati jellegű inkább a termesztéssel kapcsolatos információkat, szerződést tartalmaz. A vizsgálat első lépéseként nyers magvakkal végeztünk lebegtetési vizsgálatot. A vizsgálat célja a lebegtetési határsebesség megállapítása volt. Ezt a vizsgálatot elvégeztük a kipattogatott magvakkal is. Megállapíthatóvá vált, hogy a nyers és a kipattogott magvak lebegtetési határsebessége nagyban különbözik, így ez a módszer alkalmasnak bizonyult a kipattogott és a nyers magvak szétválasztására is. Az ismertetett vizsgálat eredményeit figyelembe véve megkezdhettük, a megfelelően kialakított szélcsatornában a pattogatási vizsgálatokat. A vizsgálatot több hőmérsékleten is elvégeztük, jó eredményeket kaptunk. 250 200 190 Térfogatnövekedés [cm 3 ] 150 100 50 134 156 174 y = -6,2857x 2 + 77,714x - 58,286 R 2 = 0,904 170 34 30 0 215 220 235 240 245 250 255 Pattogatási hőmérséklet [ C] 2.ábra Térfogatnövekedés a hőmérséklet függvényében A pattogató berendezés fő szerkezeti egységi Az élelmiszeripari hasznosítás igényei miatt, kifejlesztettünk, megterveztünk és megépítettünk egy ipari aprómag pattogató berendezést, aminek működési elve a kidolgozott új pattogatási eljárásra épül. Az elvégzett technológiai kísérletek és a követelményrendszer alapján megállapítottuk, hogy a kifejlesztett kísérleti berendezés fő szerkezeti egységeinek a következő fő funkciókat kell ellátni (2. táblázat): 197
2.táblázat A fő funkciók és az azokat megvalósító szerkezeti egységek Fő funkció Megvalósító szerkezeti egység - forró levegő előállítás elektromos fűtőberendezés - levegő, hőmérséklet - szabályozás fűtőberendezés hőmérséklet-szabályozó - forró levegő áramoltatás ventilátor - légsebesség szabályozás zsalu - magadagolás szelep - mag szétválasztás szűrőbetét - értékes kipattogatott szemek gyűjtése gyűjtőtartály - rendszer lehűtése szívószelep A kísérleti pattogató berendezés a következő, a fő funkciókat integráló szerkezeti egységre tagozódik: - elektromos légfűtő egység, - hőmérsékletszabályozó, - ventilátor hajtási láncával, - légcsatorna rendszer. A levegő melegítésére a légcsatorna rendszerbe 6 db egyenként 1,5 kw teljesítményű fűtőspirált építettünk be. A pattogtatási hőmérséklet fenntartását egy hőmérsékletérzékelővel ellátott szabályozó automatika biztosítja. A beállított pattogatási hőmérséklet és a légcsatornában áramló levegő tényleges hőmérsékletének függvényében kerülnek feszültség alá a fűtőspirálok. A vezérlőegység külön szekrényben került elhelyezésre. A magas levegőhőmérséklet miatt csővezetékbe épített ventilátort nem lehet alkalmazni. A ventilátort külső elektromotorral, ékszíjhajtás segítségével oldottuk meg. A légcsatorna biztosítja a forró levegő cirkulációját. A pattogató berendezés energiatakarékos, a légcsatorna hőszigetelt és a felmelegített levegőnek jelentős része visszaforgatásra kerül. A változó keresztmetszetű légcsatorna biztosítja a beadagolt magvak lebegtetéséhez szükséges légsebességet. A megnövekedett térfogatú magvakat a légáram magával ragadja. A magleválasztást követően a magvak távoznak a berendezésből, a forró levegő jelentős része visszaforgatásra kerül. A légcsatornában kerültek beépítésre és ráépítésre a levegőszabályozó, a friss levegőpótló, a magadagoló, a magkivezető, a hőmérséklet jeladó és a kémlelő ablakok szerelvényei is. A próbaüzem után megállapítható hogy: -A fűtőberendezéssel a cirkuláló levegő 250-270 0 C-ra felfűthető, -A hőmérsékletszabályozó berendezés a névleges hőmérséklet ± 1% hőmérséklet tartományban kapcsolja be, ill. le a fűtőáramkört. -A ventilátor képes biztosítani a beadagolt magvak lebegtetéséhez szükséges 3-4 m/s körüli légáramot és a levegő keringtető szelep teljes nyitásakor keletkező 20 m/s-os légárammal a berendezés tisztítható, ilyen légsebességgel minden anyag távozik a rendszerből. -A rendelkezésre álló különböző magminták a mag állapotának és a beállított hőmérséklet és légáram függvényében kipattantak. -A pattogatási próbák azt igazolták, optimális feltételek mellett 7,5-9,5-szeres térfogat növekedés érhető el, 10-15 kg/h munkateljesítmény mellett. A pattogató berendezést a3 és 4 ábrák szemléltetik: 198
3.ábra Az ipari aprómag-pattogató berendezés AUTOCAD 2000-rel készített rajza 4.ábra A megvalósított ipari aprómag-pattogató berendezés 199
A HŐKEZELÉSEK UTÁNI VIZSGÁLATOK A sikeres szárítási és pattogatási kísérletek után megvizsgáltuk különböző módszerekkel és több akkreditált laboratóriumban a nyers szárított amarántmagot, ennek lisztjét és a pattogatott amarántot, hogy meggyőződjünk beltartalmi jellemzőiről és a hőkezelések hatásáról. A pattogatott amaránt jellemzői igazolják, hogy a beltartalmi értékek nem szenvednek károsodást a hőkezelés hatására a nyers maghoz képest. A fotoakusztikus spektroszkópiai módszer egyike ezen új, versengő, korszerű módszereknek, amelyek alkalmazásával roncsolás mentesen, kvantitatív és kvalitatív eredményeket nyerhetünk mezőgazdasági, élelmiszeripari termékekről is. A fotoakusztikus spektroszkópiai módszerét sikeresen alkalmaztuk az amaránt mag, liszt és pattogatott amaránt összehasonlító vizsgálatánál. Ez a módszer alkalmas élelmiszeripari termékek, alapanyagok tanulmányozására. Az eddig elvégzett élelmiszer vizsgálatok közül az a tejfehérje koncentrátumokkal, a gabona őrleményekkel, valamint a paprikahamisítással kapcsolatos eredményes vizsgálatokat említem meg amiket Dóka Ottó végzett. A nyers és a pattogatott amaránt magot valamint az amaránt lisztet fotoakusztikus módszernek vetettük alá. A méréseket mindennemű kezelés és mintakezelés nélkül végeztük a Nyugatmagyarországi Egyetem, Matematika - Fizika Tanszékén Mosonmagyaróváron. 11 10 9 8 Fotoakusztikus jel(rel.egys.) 7 6 5 4 Amaránt mag Amaránt liszt Pattogatott amaránt 3 2 1 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 Hullámhossz (nm) 5.ábra Az amaránt mag, amaránt liszt és pattogatott amaránt fotoakusztikus módszerrel történő összehasonlító vizsgálata 200-400 [nm] hullámhossz tartományban 200
Az amaránt mag spektrumán nem láthatók jellegzetes csúcsok, az nyilvánvaló, hogy a héj által tartalmazott festékanyagok miatt, a liszthez képest nagyobb az abszorpció a mag esetében. Az amaránt liszt azt mutatja, hogy a mag belsejében lévő aminosavak abszorpciója miatt megnő a mért jel 235 [nm] környékén (peptidkötések miatt), valamint 280 [nm] környékén a gyűrűs aminosavaknak köszönhetően (phenylalanin, tyrosin, stb.). A pattogatott mag esetében jól látható, hogy a görbe ugyanolyan jellegzetességekkel rendelkezik és ugyanott, mint a liszt. Ami azt mutatja, hogy a pattogatás során az aminosavakra jellemző elnyelési sávok nem változnak, azaz nem történhet semmilyen átalakulás. Tehát a mag, a liszt és a pattogatott amaránt ugyanazokat az aminosavakat tartalmazzák. Ezzel a módszerrel nem lehet abszolút értékeket mondani, nem lehet analitikai értékekkel szolgálni csak egymáshoz viszonyított változásokat lehet kimutatni, ami jelen esetben nincs. KÖVETKEZTETÉSEK Ismertettük az amaránt mag szárításának technológiáját és eszközét, felhasználási lehetőségeit, kidolgoztuk egy új pattogatási eljárás elméleti és számítógépes modelljét, amit az új pattogatási eljárás gyakorlati kísérleti vizsgálata követett végül megépítettünk egy ipari aprómag-pattogató berendezést. Mérésekkel meghatároztuk a legnagyobb térfogat-növekedést biztosító feltételeket és paramétereket. A kutatás során elért eredmények a következők: 1.) Új szárítási technológia, kidolgozása, kísérleti megvalósítása és egy aprómag szárító berendezés kifejlesztése megépítése, vizsgálata. 2.) Új feldolgozási technológia, nevezetesen az amaránt pattogatás kidolgozása és kísérleti megvalósítása. az új pattogatási eljárás során egyes elemek matematikai modellezése, hígáramú függőleges szállítás, a legnagyobb térfogatnövekedést biztosító paraméterek meghatározása, mint az: az amarántmag optimális nedvességtartalma a légsebesség, a legkedvezőbb pattogatási hőmérséklet a legoptimálisabb pattogatási idő. 2.) Az új pattogatási eljárást megvalósító ipari aprómag pattogató berendezés kifejlesztése, tervezése, megépítése és vizsgálata 3.) A nyers és a pattogatott amaránt magvak beltartalmi értékeinek meghatározása, összehasonlítása, az új pattogatási eljárás létjogosultságának igazolása. Az eddig elért kutatási eredmények felhasználhatók és folytathatók különböző területeken: új élelmiszeripari- berendezések, technológiák és termékek előállításánál malomipar sütőipar konzervipar cukrász és édességipar 201
a kifejlesztett új pattogatási eljárás bővítése és alkalmazása más magvakra (a rizs és a búza, köles szemenkénti pattogatása, puffasztása) Az így nyert amaránt magot felhasználhatjuk vetőmagként vagy táplálkozásra a legkülönbözőbb formákban. A magas beltartalmi értékei miatt, alkalmazva az új pattogatási eljárást, alkalmas a reformtáplálkozás legváltozatosabb formáinak kielégítésére. Felhasználható az élelmiszeripar számos területén: müzlinek, sütőipari termékekben (kenyérfélékben, süteményekben), édességipari készítményekben (csokoládékban), konzerviparban (bébiételekben, mártásokban, italokban, stb.). Az amarántmag glutént nem tartalmaz így alkalmazható a lisztérzékenységben szenvedők élelmiszerei elkészítéséhez a legváltozatosabb formákban. FELHASZNÁLT IRODALOM Sikolya L. Lengyel A. Bagi B..(1996):: Amarant új élelmiszer és takarmányforrás. MTA AMB Kutatási és Fejlesztési Tanácskozásának Közleményei Gödöllő. Kalmár I.- Krizsán J. Gulyás L. Bagi B..(2001): Kisgazdasági szárítóberendezés kifejlesztése. MTA AMB Kutatási és Fejlesztési Tanácskozásának Közleményei Gödöllő, 2001. Sikolya, L. - Lengyel, A. Kalmár, I.(2002): A New Popping Procedure and a New Machine for Amaranth Popping. IDS 2002 13 th International Drying Symposium, Beijing, China, 27-30 aug. 2002., Proceedinds, Vol. C. p.p. 1712-1721. Sikolya, L. (2002): A pattogatott amaránt előállításának technológiai kérdései V. Nemzetközi Élelmiszertudományi Konferencia. Összefoglalók és CD, Szeged, 2002. október, 24-25.;13-14. p. 202