Постановка проблемы

При производстве комбикормов для молодняка животных (телят и поросят) с целью повышения питательной ценности и усвояемости производят специальную обработку зерна, применяя такие способы, как флокирование, микронизация, экструдирование. Исследованиями установлено, что применение флокирования (гидротермической обработки зерна с последующим плющением при производстве хлопьев) обеспечивает повышение переваримости крахмала в 1,5–2 раза, снижение доли неперевариваемой клетчатки, инактивацию антипитательных веществ, улучшение переваримость протеина на 15–20 %. Согласно прогнозам, на 2020–2025 годы, объемы производства комбикормов в России будут расти (рис. 1). Использование плющенных зерен, приводящих к улучшению качества комбикормов, является перспективным направлением совершенствования технологий производства комбикормовой продукции [3, 7–10].

В себестоимости комбикормов значительную часть (от 20 до 35 %) составляют энергозатраты. К примеру, при производстве 1 тонны стартерных и предстартерных комбикормов для молодняка сельскохозяйственных животных расходуется от 300 до 500 кВт·ч/т электроэнергии и около 300–400 м³ технологического пара. Особенно остро эта проблема стоит в глубинных негазифицированных районах страны. Для снижения доли энергозатрат в структуре себестоимости кормов целесообразно предусмотреть автономное энергоснабжение комбикормового производства за счет биотопливных ресурсов. Наиболее эффективным способом решения этой задачи является использование биогаза, полученного из отходов животноводства. По данным Минсельхоза России потенциал производства биогаза в Российской Федерации составляет 2 млрд м³/год [1, 2]. К примеру, производство и использование биогаза, получаемого из отходов свинокомплексов (при минимальном количестве голов свинокомплекса, равном 10 000), практически полностью закрывает их энергетические потребности (на базе отходов от одной взрослой свиньи можно выработать 0,35 м³ биогаза в сутки, или 8,15 МДж энергии).

Процесс анаэробного брожения, наряду с получением биогаза, позволяет переработать отходы животноводческих комплексов в нетоксичные органические удобрения, которые в дальнейшем с успехом могут быть использованы в сельском хозяйстве [4–6].

Технологическая линия разработана по результатам исследований, выполненных в рамках НИР «Адаптация созданных гидротермических технологий и комплекта оборудования для производства комбикормов с использованием биогаза, получаемого при переработке отходов животноводческих комплексов производительностью 2 т/ч».

Рис. 1. Объем производства комбикормов в России в 2016–2025 годы

Fig. 1. The volume of production of animal feed in Russia in 2016–2025 years

Методология и методы исследований

Целью данной работы являлась разработка инновационной технологии производства флокированных зерен для стартерных и престартерных комбикормов для молодняка сельскохозяйственных животных.

Выявлено, что зерно целесообразно увлажнять водой температурой 40–60 °С в течение 1–2 минут до влажности 15–19 % (ячмень, пшеница – 15–17 %; овес – 15–16 %; кукуруза, горох – 17–19 %). Продолжительность отволаживания должна составлять для пшеницы, шелушенных ячменя и овса, цельного зерна ячменя и овса 2–4 часа; кукурузы и гороха – 4–6 часов. Установлено, что при обработке зерна паром в течение 5 минут степень денатурации белка составляет 28 %, 10 минут – 47,2 %, 60 минут – 87,7 %.

Пропаривание увлажненного зерна пшеницы, шелушенных и нешелушенных ячменя и овса осуществляли в пропаривателе лопастного типа до температуры 80–100 °С в следующем диапазоне изменения параметров пара: давление – 0,22–0,32 МПа, температура – 130–140 °С, расход – 120–220 кг/ч (1,320–2,420 кг/кг·мин) в течение 10–20 минут до влажности 19–20 %; кукурузы и гороха – в течение 20–30 минут до влажности 20–21 %. Увлажнение зерна водой и последующее плющение приводит к увеличению степени клейстеризации крахмала до 40–50 %, при пропаривании и плющении степень клейстеризации крахмала возрастает до 60–70 %.

Исследована степень клейстеризации крахмала ячменя в зависимости от величины зазора между вальцами. С этой целью образцы ячменя, обработанного паром при атмосферном давлении в течение 10 минут, пропускали через плющильный станок, изменяя величину зазора между вальцами. Проведены исследования по выявлению влияния степени клейстеризации крахмала на его переваримость. Плющение пропаренного зерна производили на двухвалковой плющилке при скорости вращения валков 11,4 м/с и 7,6 м/с. Плющение пропаренного зерна проводили при зазоре между валками 0,5–0,6 мм для пшеницы, шелушенных и нешелушенных ячменя и овса; 0,8–1,0 мм – кукурузы и гороха.

После влаготепловой обработки и плющения хлопья необходимо подвергать сушке с целью снижения влажности: определены режимы сушки: температура агента – 120–130 °С, продолжительность – 8–9 минут, скорость воздуха – 0,7–0,8 м/с. Охлаждение высушенных хлопьев следует проводить при скорости воздуха 0,7–0,8 м/с в течение 4–5 минут. Изучение влияния пропаривания и плющения на содержание биологически активных веществ показало, что в процессе обработки количество витамина Е в кукурузе снижается на 23–28 %, витамина В₂ в ячмене – на 6–10 %. Микробиологические показатели зерна после обработки паром значительно улучшаются, обсемененность зерна микроорганизмами снижается на 95–98 %.

Результаты

Результаты опытов показывают, что с уменьшением величины зазора между валками степень клейстеризации увеличивается (таблица 1). В полученных хлопьях степень клейстеризации крахмала составила 29 % при зазоре 0,5 мм и 68 % при зазоре 0,1 мм.

Хлопья, выработанные при величине зазора 0,1–0,5 мм, имели хрупкую структуру вследствие того, что зерно подвергалось очень сильному механическому раздавливанию. В связи с тем, что уменьшение зазора между валками приводит к значительному увеличению мощности установки, последующие исследования проводили при зазоре между валками 0,2–0,25 мм.

Таблица 1

Изменение степени клейстеризации крахмала в зависимости от величины зазора между валками плющильного станка

Table 1

Change in the degree of gelatinization of starch, depending on the size of the gap between the rollers flatting machine

Установлено, что длительность пропаривания и расход пара увеличивают степень клейстеризации крахмала (таблица 2). Пропаривание и плющение оказывают влияние на процесс переваримости крахмала. Меньшей переваримостью обладает крахмал необработанного ячменя (исходный ячмень). В течение 5 часов крахмал данного зерна расщепился с образованием 215 мг/г глюкозы.

Таблица 2

Изменение степени клейстеризации крахмала ячменя в зависимости от длительности обработки паром и его расхода

Table 2

Change in the degree of gelatinization of starch of barley, depending on the duration of steam treatment and its consumption

При пятичасовом гидролизе крахмала хлопьев, полученных из пропаренного ячменя, образовалось 320–430 мг/г глюкозы. Прослеживается закономерность повышения переваримости крахмала по мере повышения длительности пропаривания ячменя перед его плющением.

В результатеоценки влияния степени клейстеризации крахмала на его переваримость получено, что количество образующейся глюкозы при ферментативном гидролизе крахмала за одинаковый промежуток времени в более клейстеризованном зерне больше по сравнению с менее клейстеризованным. По сравнению с исходным ячменем скорость переваримости крахмала хлопьев из пропаренного ячменя с высокой степенью клейстеризации повышается в 2–3,5 раза.

Установлено, что для пропаренного ячменя при одних и тех же режимах можно получить различную степень клейстеризации крахмала в зависимости от величины зазора между валками плющильного станка, то есть от толщины хлопьев. Наилучшие результаты по переваримости достигаются при плющении ячменя на вальцах с зазором 0,1–0,5 мм. С уменьшением зазора между вальцами и уменьшением толщины хлопьев степень клейстеризации крахмала и водопоглотительная способность увеличиваются. Изучено влияние пропаривания зерна с последующим плющением на фракционный состав белка (рис. 2).

По результатам исследований можно сделать вывод, что для предотвращения снижения переваримости протеина ячменя длительность пропаривания его при атмосферном давлении не должна превышать 30 минут.

Полученные данные использованы при разработке технологии флокированных зерен для стартерных и престартерных комбикормов для молодняка сельскохозяйственных животных.

Рис. 2. Зависимость длительности пропаривания ячменя и плющения на содержание и фракционный состав белка

Fig. 2. The dependence of the duration of steaming barley and flattening on the content and fractional composition of the protein

Установлено влияние продолжительности нагрева при пропаривании и плющении ячменя на изменение белкового комплекса (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость переваримости in vitro протеина ячменя от времени обработки паром

Fig. 3. Dependence of in vitro digestibility of barley protein on the time of steaming

На предлагаемой линии вырабатывают хлопья из цельного зерна, например ячменя, пшеницы, кукурузы, шелушенного ячменя и бобовых культур. Зерновые хлопья используются при производстве полнорационных комбикормов для молодняка свиней (поросят в возрасте от 10 до 60 дней), комбикормов-концентратов для поросят в возрасте до 4 месяцев, телят в возрасте до 115 дней и молодняка других сельскохозяйственных животных. Зерно перед подачей на линию плющения должно обязательно пройти очистку от сорных, минеральных и металломагнитных примесей. При выработке хлопьев из шелушенного зерна ячменя и овса перед подачей на линию плющения осуществляется снятие пленки с зерна этих культур и отделение лузги одним из существующих способов: способом измельчения с последующим просеиванием и отвеиванием пленок из сходовых фракций или способом шелушения на специальных машинах с отделением пленок. Шелушенный ячмень и овес должны удовлетворять требованиям нормативной документации на данные виды продукции, ОСТ 00932117-001-95 «Ячмень кормовой шелушенный. Технические условия» и ОСТ 00932117-004-96 «Овес кормовой шелушенный. Технические условия». В основном продукте шелушения ячменя допускается содержание сырой клетчатки не более 3,5 %, овса – не более 5,3 %.

Технологическая схема линии производства флокированных зерен для стартерных и престартерных комбикормов для молодняка сельскохозяйственных животных производительностью 2 т/ч (рис. 4) включает следующие технологические операции: контроль заданной производительности по исходному продукту посредствам питателя 2, установленного на выходе из приемного бункера 1; очистка зерна от метало-магнитных примесей в магнитном сепараторе 3; увлажнение зерна в увлажнительной машине 4; равномерное распределение влажности по всему объему подаваемого зерна в отволаживателе 5; пропаривание зерна в аппарате для влаготепловой обработки 6; получение зерновых хлопьев в плющильной машине 7; сушка плющенных хлопьев и их охлаждение в сушилке-охладителе 8; хранение обработанного зерна в бункере 9; очистка исходного биогаза от сероводорода в колонке 10; охлаждение очищенного от сероводорода биогаза в холодильнике 11; очистка от Н₂О в колонке 12; нагнетание очищенного биогаза в парогенератор 15; получение сушильного агента в теплообменнике 16 за счет теплоты продуктов сгорания в парогенераторе 15.

Рис. 4. Технологическая схема линии производства флокированных зерен для стартерных и престартерных комбикормов для молодняка сельскохозяйственных животных

Fig. 4. Technological scheme of the production line of flocked grains for starter and prestarter feed for young farm animals

Исходное зерно накапливается в производственном бункере 1. В зависимости от производительности линии питателем 2 через магнитный сепаратор 3 зерно подается в увлажнительную машину 4 до достижения влажности 23–35 %. Увлажненное зерно выдерживают в отволаживателе 5, для равномерного распределения влажности по всему объему зерновой массы.

В аппарате для влаготепловой обработки 6 осуществляют пропаривание зерна в течение 12–14 минут при повышенной температуре (до 95 °C), позволяющей повысить усвояемость корма до 85–88 %. Пропаренное зерно предварительно подогревают в течение 3–5 минут, пропускают через вальцы плющильной машины 10 с зазором между вальцами 0,4–0,55 мм и получают зерновые хлопья.

В сушилке-охладителе 8 осуществляют сушку зерновых хлопьев при температуре 80–90 °C и скорости сушильного агента 0,4–0,7 м/с при снижении влажности до 8–9 %. В зоне охлаждения сушилки-охладителя снижают температуру высушенных плющеных зерен до температуры окружающей среды атмосферным воздухом. Обработанное зерно отводят в бункер 9.

На основе проведенных исследований определены рациональные способы очистки биогаза, подаваемого на горелки парогенератора следующего научно обоснованного состава: метана до 60 %, H₂S – до 20 мг/м³, паров H₂O не более 9 мг/м³, СО₂ – до 36 %.

Исходный биогаз подается в колонку очистки от сероводорода 10, очищенный от сероводорода газ охлаждается в холодильнике 11, после чего в колонке очистки от Н₂О 12 с помощью вентилятора 14 подается в топку парогенератора 15.

В парогенераторе 15 посредствам рекуперативного теплообмена между продуктами сгорания биогаза и водой осуществляют подготовку пара для пропаривания в аппарате для влаготепловой обработки и нагревания сушильного агента (воздуха) в теплообменнике 16 для сушки плющеного зерна в сушилке-охладителе с последующим его охлаждением до температуры окружающей среды. Конденсат, образовавшийся в колонках очистки от H₂S и Н₂О, отводится в сборник конденсата 13.

Для определения эффективности использования флокированных зерен в составе стартерных комбикормов проведены исследования на телятах в возрасте от 10 до 75 дней (таблица 3). Выработаны опытные партии стартерных комбикормов (таблица 4)

Таблица 3

Схема опыта на телятах в возрасте от 10 до 75 дней

Table 3

Scheme of experience on calves aged 10 to 75 days

Таблица 4

Рецепты стартерных комбикормов для телят в возрасте 10–75 дней

Table 4

Recipes starter feed for calves aged 10–75 days

Контрольная партия комбикорма содержала измельченные ячмень и овес без пленок, а также горох. Во II, III, и IV опытных партиях зерновая часть была представлена в виде неизмельченных хлопьев шелушенного овса, ячменя и гороха. В партиях комбикормов для контрольной, I и II опытных групп телят содержание сухого молока составляло 18,0 %, сахара – 4,0 %.

Комбикорм для III опытной группы вырабатывали без сахара и с пониженным содержанием сухого молока, для IV опытной группы – без сахара и сухого молока, но с повышенным содержанием хлопьев гороха и с некоторым измененным содержанием остальных зерновых компонентов и соевого шрота (рис. 5).

Подопытные телята поедали практически равное количество всех видов кормов рациона (таблица 5). Скармливание неизмельченных хлопьев в составе комбикормов не повлияло на их поедаемость. Не установлено существенных различий по содержанию в рационах питательных веществ.

Рис. 5. Качество стартерных комбикормов для телят

Fig. 5. Quality starter feed for calves

Таблица 5

Рационы телят за период опыта по фактически потребленным кормам

Table 5

Calves rations for the period of experience on actually consumed feed

Анализ данных таблицы 6 показал, что использование в стартерных комбикормах для телят хлопьев овса, ячменя и гороха взамен измельченного зерна позволит повысить прирост живой массы с 745,2 г в контроле до 819,4 г и 810,0 г соответственно в I и II опытных группах телят.

В целом за учетный период не установлено достоверных различий по приросту живой массы между телятами, получавшими измельченные (819,4 г) и неизмельченные (810,0 г) хлопья зерна.

Таблица 6

Динамика живой массы и прирост подопытных телят