专利名称：一种谷物预处理工艺和预处理谷物的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及预处理谷物的工艺，特别是用于预处理大豆以增加这种食物的消化性、减少/消除micotoxins或真菌形成毒素的工艺，还涉及预处理谷物的设备，特别是结合了所述工艺的设备。
本申请对应于巴西优先权申请PI 0104889-9，本文引用参考该申请。
背景技术：
已经有许多加热大豆和其他谷物的工艺，目的是减少破坏营养的酶和提高其消化性。在这些工艺中，通过蒸汽、电阻、气体产生的火焰，燃料油，木材或其他材料对大豆进行间接和/或直接加热处理，处理可在开放或封闭的容器中进行，通过固定或转动的方式，可带有各种类型的搅拌器，比如叶片式，托板式和螺旋式。
各种系统或工艺的最后质量的差别完全取决于对工艺和产品的适当处理。
下面介绍已知的设备和工艺a)对大豆去活性的干挤出机。这种设备具有轴和蜗杆，磨碎和压榨产品，使其发热，从而对大豆中不希望有的酶去活性。其缺点是能量消耗高，湿度损失大，油脂高度氧化和蛋白质共氧化。此外，还存在许多设备磨损，以很高温度进行最终产品的提取，以及含有micotoxins(真菌毒素)和杀虫剂。
b)蒸汽挤出机，这种设备也包括带螺纹的轴和蜗杆，可接受整粒或粉碎的谷物。工艺过程包括压榨产品和用蒸汽加热，从而对大豆中的酶去活性，改进其消化性。与干挤出机比较，蒸汽能量消耗低。但是，考虑到预压，冷却和干燥步骤，则能量的消耗非常高。油脂和蛋白质的氧化少于上面的工艺，但是，由于工艺过程中产品的高湿度，有害的微生物，比如沙门氏菌，经常形成。另外，该工艺不能消除micotoxins(真菌毒素)和杀虫剂。
c)多级垂直烘烤器，是一种具有多个垂直圆柱腔的设备，带有马达和减速器驱动的中心轴，搅动托板和一级连接到另一级的带调整水平的通道。各级具有位于底部和壁上的蒸汽套管，还设有新蒸汽喷射系统。该设备可处理整粒或磨碎的谷物。
处理磨碎谷物时的缺点有，磨碎谷物处理完后存在高速油脂氧化，产生大量脂肪醇、过氧化物，和蛋白质的共氧化。从工艺提取最终产品之后，即刻开始形成茴香胺(anisidin)，totox的指标高。
如果处理整粒谷物，氧化速率下降3到5倍。但较小和破碎的谷物过度加热，较大的谷物很快通过，加热不足，这将造成酶不能令人满意地消除。
此外，由于产品离开时是热和湿的，流出液体，在传送机上和冷却机上形成硬壳，成为微生物如沙门氏菌高度污染的焦点。该工艺不能减少micotoxins和杀虫剂。
d)管式水平蒸汽烘烤器，包括带蒸汽套管的水平圆柱体和带托板或螺旋板的中心轴，螺旋板可将产品从一端带到另一端，可以或不进行新蒸汽反向流动。蒸汽加热产品，对大豆中不希望的酶去活性。但是，没喷射蒸汽时，产品经受强烈的烘烤作用，由于燃烧造成营养损失。除了产品脱水4到6％，另外的缺点是油脂的高度氧化和蛋白质共氧化。另一方面，工艺过程中当注入蒸汽时，发生强烈的水合作用，产品湿度增加了3-4％。通过这种方式烘烤作用减少，由于燃烧和氧化造成的损失减少了70％，然而由于高湿度，产品将要求进行干燥处理。此外，润湿的产品在输送，干燥和冷却装置上形成硬壳，形成沙门氏菌类微生物的聚集点。
e)水平烘烤器，其具有与管式水平蒸汽烘烤器类似的直接烘烤功能，但在普通的旋转水平圆柱体中使用直接火焰，谷物沿相对火焰的方向旋转。这种类型设备和相应工艺的缺点涉及产品受到燃烧气体造成的很强热冲击，可造成营养物部分燃烧和营养物高度氧化。处理过的产品不均匀，因为较小的颗粒受到过度烘烤，较大的颗粒则烘烤不足。较小的颗粒保留在工艺中的时间较长，而较大的谷物很快通过。使用了多种类型的燃料，比如，气体、燃油或木材，以及其他材料。每种燃料的残余聚集到产品上，如果燃烧质量变化，最终产品的质量也发生变化。
前面介绍的类似设备的产品还要带着高温通过冷却器，其后会出现微生物污染的问题。
f)高压釜浸煮器，其是内部带有搅拌器的水平圆柱体，由通过套管的间接蒸汽和通过轴注入的直接蒸汽进行加热。这种设备的主要操作缺点在于产品必须成批处理，与其他连续操作的工艺不同。这样就减少了生产能力，由于进行处理的产品必须进行预先测量或测量体积，必须频繁地打开和关闭多个阀门，要对时间进行控制和小心注意以防止产品残余在更换不同批次的产品时仍保留在设备内。这种设备基本在压力下工作，要排放热和湿的产品，所以要求后续进行干燥和冷却，具有大部分其他设备都有的相同问题，即微生物污染。油脂氧化和蛋白质共氧化的问题与其他工艺相比不突出。
美国专利4,413,018涉及处理整粒燕麦谷物的方法，其目的是使酶去活性，延长产品的保管时间。在这个方法中，用沸水和蒸汽来加热产品，蒸汽的温度应能够对酶加热去活性，使谷物不被氧化。在这个热蒸的过程中，水与产品直接接触，由于过度润湿导致严重的问题，营养物损失到水中，还有污染排放的问题。
另一方面，文献EP 0222965公开了一种预先热蒸大米和其他谷物的方法。预先热蒸方法包括施加带压蒸汽和在高压釜对产品加压的步骤。但是，大米需要浸泡，所用的设备和工艺不适用于大豆、玉米和其他谷物。
文献PI 9005734-1涉及对大豆去活性的工艺和设备，其目的是消除大豆中的酶，被生物机体吸收时阻止钙的产生。
在该文献中介绍的设备使用搅拌叶片，其使蒸汽注入到产品。但是已经知道通过这些叶片注入蒸汽带来了问题，因为，叶片上的孔会被产品塞满，几乎不可能进行清理，这样将造成产品无规律地加热，损害其质量。此外，由于叶片是旋转的，容纳产品的容器通常是未完全充满，蒸汽的一部分喷射到产品的表面，使产品过热，损害其质量，并且导致蒸汽的过度消耗。
PI 9005734-1介绍的工艺，除了未能减少大豆中的micotoxins和杀虫剂，还显示出存在高度油脂氧化和蛋白质共氧化。
所提到的工艺都不能大量地消除或减少micotoxins和/或杀虫剂，这些工艺不在真空下工作，使产品暴露于空气中的氧而被氧化。
发明内容
本发明的目的是提供一种预处理谷物的工艺，能够增强所处理谷物的消化性，同时可消除谷物中含有的micotoxins和/或杀虫剂，且不会向产品添加其他的化学物质。
本发明的另一目的是提供一种预处理谷物的设备，可使用较低的压力和采用预处理谷物的工艺，防止油脂氧化和大量减少现有的氧化。
本发明的目的通过预处理谷物工艺得以实现，所述工艺包括步骤a)通过可控方式将谷物装到反应器中；b)施加第一负压到所述反应器；c)对所述反应器中的谷物加热；d)施加第二负压到反应器；e)冷却谷物。
本发明还有的目的是提供一种预处理谷物设备，所述设备包括至少一个反应器，其连接到提供负压的装置。
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现在将参考附图中所显示的实施例对本发明进行详细的介绍。附图中图1是本发明的实施预处理谷物基本工艺的设备的第一实施例的示意图；图2是设备的第二实施例的示意图，用于预处理非常干燥需要润湿的谷物；图3是预处理谷物的设备的第三实施例的示意图，其具有两个前述实施例的基本特征，但还要进行干燥和深冷，没有空气冷却在结束时温度可达15℃或更低；图4是位于作为本发明的设备一部分的反应器中的均匀化摆片的顶视图；图5是容纳均匀化摆片的臂的前视图，均匀化摆片位于作为本发明的设备一部分的反应器中；和图6是容纳均匀化摆片的臂的右视图，均匀化摆片位于作为本发明的设备一部分的反应器中。
具体实施例方式
根据本发明的优选实施例和如图1所示，预处理谷物的设备包括第一垂直传送机1、进料器2、配料器3，一个或两个反应器4、水平传送机5、第二垂直传送机6、冷却器7、气压冷凝器8、施加负压的装置9，离心泵10、气压罐11和冷却塔12。
第一垂直传送机1可以是垂直链斗升降机或类似装置。链斗升降机负责提供谷物到进料器2，进料器连接到配料器3。在进料器2和配料器3之间流动的谷物由自动阀来控制。
反应器4连接到配料器3，可接收来自配料器经过计算和监控数量的谷物。谷物的流动控制也通过自动阀进行。
反应器4的内部设有多个容纳倾斜摆片21的臂20，如图4，5和6所示。该组件的作用是均匀化反应器4中的产品，还可以帮助完全排出热蒸后的产品。摆片21可位于左或右，工作时作旋转运动。
反应器4中的谷物通过干燥的饱和蒸汽进行间接加热，饱和蒸汽通过套管传递热量到谷物。这样加热提供了大约1％的湿润变化。
谷物还有直接形式加热，也是通过干燥的饱和蒸汽。该蒸汽通过喷射系统进行分配，喷射系统通过切向方式和沉入产品的方式喷射新蒸汽。这样，蒸汽首先接触产品的底部，然后到达体积表面。
这种直接喷射系统独立于反应器4内的倾斜摆片21。
反应器4还接收施加的负压或真空，使内部环境中没有空气。为此，设备设置了施加负压的装置9，其连接到气压冷凝器8和气压罐11。
在第一优选实施例中，使用连接到气压冷凝器8及反应器4的真空泵9。如图3所示，在第三实施例中，真空泵9被2个喷射器代替，第一个是Z型喷射器9`，设置在气压罐11和气压冷凝器8之间，第二个是Y型喷射器7`，也叫作蒸汽助力器(热压机)，设置在气压冷凝器8和反应器4之间。当有必要施加绝对压力45毫米汞柱的负压或真空时，喷射器9`可代替真空泵施加负压到反应器4内部。喷射器可在气压冷凝器8中产生超过水沸点的真空。
此外，当希望在绝对压力6毫米汞柱的真空下工作时，设备应设置助力器7`，当产品的最后温度达到15℃或低于15度时，不需要图1或2中的冷却器7。助力器7`产生低于气压冷凝器8中水沸点的真空。
助力器7`从一端接受高压蒸汽，通过文丘里系统，气体和蒸汽吸到蒸汽入口侧，在相对侧受到压缩，这样扩大了与之结合的系统的真空度。通过这样的系统，可降低绝对压力(真空)，直到水的液相消失。只保留水的固相(冰)和蒸汽。虽然助力器7`增加了蒸汽和冷却水的消耗，考虑到压力达到6毫米汞柱范围的可能性和需要，当预处理的产品是供人类消耗时，就应当采用。
冷却塔12连接到气压冷凝器8，目的是向发生在冷凝器内的热交换提供冷却水。由于有离心泵10所提供的压力水是循环的。
气压冷凝器8对水蒸汽进行冷凝，水蒸汽从反应器4以蒸汽形式抽出，并以水的形式排放到气压罐11。
来自冷却塔12的水的温度在大约30℃。该水对来自反应器4的蒸汽进行冷凝，在气压冷凝器8，水温度增加到35℃。每1千克吸入蒸汽的热量有650大卡。因此，要求130升的水来冷凝1千克的蒸汽，水从30℃加热到35℃。水从冷凝器8流到气压罐11，然后泵回到冷却塔12，冷却塔的功能相反，蒸发1升的水，使水温从35℃冷却到30℃。水然后泵到冷凝器。水-蒸汽，再反向相变将吸收550大卡，等于加热550升的水温度升高1℃。
水平传送机5携带从反应器4提取的产品到远处的第二垂直传送机6。一旦谷物位于第二传送机6，将被置于冷却器7中，如图1和2所示。
根据图2和图3所示的第二和第三实施例，预处理谷物的设备可设置自动湿润器14。这些湿润器当处理的谷物的湿度低于11％时开始使用；然后湿润器将调整湿度到理想的范围，湿度应在12到12.5％的范围。
预处理谷物的工艺包括下列步骤a)通过可控方式将谷物装到反应器4中；b)施加第一负压到所述反应器4；c)对所述反应器4中的谷物加热；d)施加第二负压到反应器4；和e)冷却谷物。
第一垂直传送机1携带尚未处理的谷物到达进料器2。谷物从进料器2装入配料器3，然后通过可控和监视的方式进入作为反应器的容器4。
对容纳进行处理的谷物的反应器4进行密封。然后，第一负压，真空，施加到反应器4的内部，这使内部压力从大约6毫米汞柱的绝对压力下降大约为4公斤/平方厘米的相对压力。负压施加是通过真空泵9，还可以分别通过Z型和Y型的喷射器9`和7`进行。
通过施加真空，抽出反应器4中的所有空气。这个步骤是非常重要的，因为存在空气将阻止谷物均匀加热，因为空气是不良的导热体，并可形成气囊使产品不均匀加热。此外，空气中含有20％的氧气，氧气可氧化油脂，形成过氧化物、氢过氧化物、脂肪醇、自由脂肪酸，蛋白质的共氧化也可能发生，形成自由基。油脂的氧化是个曲线，如果存在氧气，温度最高的位置，氧化程度越高越快。
通过这种方式，施加第一真空后产品不再接触氧气，这样就减少了过氧化物的氧化达40％-80％，还防止了蛋白质和anizidin的进一步共氧化。
施加第一负压的步骤之后，产品的温度有很小下降，在对反应器4的谷物加热的步骤对此进行补偿。加热可通过两种方式实施，(i)通过对谷物的直接和切向的蒸汽喷射和(ii)通过间接加热，蒸汽通过套管将热量传递到谷物。
一旦完成加热，谷物可达到大约100℃到125℃的温度。
加热后，谷物受到热蒸。该步骤包括将谷物保持在热蒸温度，大约为100℃到125℃，并保持预定的时间，时间可在1到25分钟之间变化。取决于时间，温度和压力，对热蒸可以或多或少地进行强化。
热蒸完成后，反应器4的内部压力，为正压力，达到0.5到1.5公斤/平方厘米的范围。由于施加第二真空负压，这个压力将再次降低，这时压力是负的，大约在0.9公斤/平方厘米。即，存在1.4到2.5公斤/平方厘米的压差。改变压力时产生热蒸的明显作用和其后产品的消化性增加的结果，这主要在于施加第二负压，0.5到1.5公斤/平方厘米的正压力改变为0.9公斤/平方厘米的负压力，或6毫米汞柱的绝对压力。在这种条件下，一升水，其等于1公斤蒸汽，变成1.2立方米的水汽(增加比例1∶1.200)，水汽在谷物内膨胀，冲破细胞膜和显露出营养物，这样谷物才能更容易地被动物或人类的消化系统吸收。
在这个步骤，接下来产品的温度从大约100℃到125℃下降到大约60℃到15℃，这取决于真空度；产品的湿度在20到21％之间下降到12到12.5％的范围。
如果与采用直接蒸汽的已知工艺出现的下降比较，这个工艺中湿度下降是非常大的。结果是，现有技术的这种工艺需要强大的补偿步骤来减少干燥程度。
另一方面，已知的工艺只使用间接蒸汽或火焰或挤出系统的热空气，最终产品的湿度要比工艺开始时的产品湿度低。但是，最终温度超过100℃，所以需要强烈地冷却产品，否则将导致物质损失和高度氧化。
因此，在施加第二负压的步骤期间，进行冻干过程，其包括在真空下从谷物脱水，即消耗谷物热量，降低温度和湿度。通过这种方式，真空下挥发的每升水要消耗550大卡，冷却了产品。因此，以大豆为例，已知比热为0.6大卡/公斤，意味着冷却1公斤大豆1℃需要0.6大卡，或在真空下挥发1升水可冷却9.6公斤的大豆，使温度从110℃下降到15℃，或冷却23公斤的大豆使温度从110℃下降到70℃，另外可使产品中水的温度下降。
简而言之，在加热期间喷射到产品的蒸汽冷凝，润湿，加热并提高了反应器4中的压力。在冻干过程中，情况相反，即压力(真空)下降，冷凝的蒸汽重又蒸发，加热过程施加的热量和水移出并移到气压冷凝器。这是数值的倒置。
这个步骤的结果是micotoxinB1、B2、G1还有其他物质和各种杀虫剂被带走。
micotoxin和杀虫剂由在施加第二负压(真空)的步骤中再挥发的水(蒸汽)带走。大部分杀虫剂有蒸发和挥发点，其在真空中上升并可借助于水的再挥发。Micotoxins是沉积到微通道的真菌残余，通道通常由真菌建立在谷物外壳和浆之间和微生物周围。当谷物中的冷凝水在真空下以1比1.200或更多进行膨胀，以速度40到50米/秒(144到180公斤/小时)从气压冷凝器移出，最好通过真菌留下的管道(通道)，从而将沉积在这些通道的Micotoxins带走。应当指出，破坏了真菌留下管道的压榨或磨碎谷物将不能消除毒素。
在这个步骤中，产品中的1升水在反应器中膨胀成1.200升的水汽，在气压冷凝器中重又变回1升水。不会冷凝的元素，即空气，的蒸发不会在冷凝器中冷凝，释放的气体由真空泵9或喷射器9`从系统抽出。
冻干过程减少了99％的micotoxins和75到99％的杀虫剂。
下一步是最后的冷却，要求特别注意，使之没有氧化和污染发生。
在从反应器4排出热，湿或干的产品时可重新出现氧化，这由于热的产品接触到空气中的氧气。
因此，为了避免这种氧化，产品在反应器4中进行真空冷却，温度下降到实际不会发生氧化或其程度很低的范围，这个范围位于最高温度70℃和最低温度15℃之间。
根据图1和图2，这个冷却一部分在反应器4的真空中进行，部分在冷却器7进行。取决于设备的结构变化和工艺，冷却可完全在反应器4内的真空中进行，如图3所示。
在冷却步骤期间，反应器4的内压是负的，大约在0.9公斤/平方厘米。对于在步骤结束时离开反应器4的产品温度，其取决于负压或真空度。通过这种方式，对绝对压力45毫米汞柱的真空，反应器4的产品在温度范围为65到70℃时排出。当在这个温差启动冷却，可避免冷却步骤过程80％的氧化。当通过喷射器9`和助力器7`施加真空时，绝对压力下降到绝对压力6毫米汞柱，产品在温度范围10℃到15℃排出，不需要在冷却器7进一步冷却。在这种情况下，可避免99％的氧化。
在这个温度范围，没有蒸汽的散发，液体的运动，氧化以及在后续设备，例如在传送机、干燥机和冷却器上，形成硬壳，。通过这种方式防止了产品被微生物污染。
除了消除micotoxins和杀虫剂，本发明的工艺使处理的产品的消化性增加大约8到22％或更高。
本发明的工艺和设备特别适合于预处理大豆。但是，可看到也能应用于预处理各种谷物，例如，花生，玉米和其他谷物。
在这个工艺中，在各步骤停留的时间，必要的压力和处理产品的体积通过自动设备，比如PLC或CLP，和通过计算机进行自动控制，可形成非常均匀的生产。
已经介绍了优选的实施例，应当懂得本发明的范围包括其他可能的变化，本发明的范围只由所附权利要求的内容，包括可能的等同体，来限定。
权利要求
1.一种谷物预处理工艺，其特征在于，包括步骤a)通过可控方式将谷物装到反应器(4)中；b)施加第一负压到所述反应器(4)；c)对所述反应器(4)中的谷物加热；d)施加第二负压到所述反应器(4)；e)冷却谷物。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，在施加第一负压到所述反应器(4)的步骤，所述反应器的内压范围从绝对压力大约6mmHg到相对压力大约为4kg/平方厘米。
3.根据权利要求2所述的工艺，其特征在于，在施加第一负压的步骤，从所述反应器(4)抽出空气。
4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，在加热所述反应器(4)内谷物的步骤期间，向谷物直接喷射蒸汽和进行间接加热，干燥饱和蒸汽通过套管将热量传递到谷物。
5.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于，在加热谷物的步骤结束时，温度范围为100℃到125℃。
6.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，在施加第二负压的步骤之前，进行热蒸步骤。
7.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于，在进行热蒸步骤期间，温度范围从大约100℃到125℃，压力范围在0.5到1.5kg/平方厘米。
8.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，在施加第二负压的步骤，所述容器(4)内的压力大约是负0.9kg/平方厘米。
9.根据权利要求8所述的工艺，其特征在于，在施加第二负压的步骤，温度范围在60℃和15℃之间，谷物的湿度范围是12到12.5％。
10.根据权利要求9所述的工艺，其特征在于，在施加第二负压的步骤期间，进行冻干过程，其包括从谷物脱水。
11.根据权利要求10所述的工艺，其特征在于，所述冻干过程消耗谷物的热量，减少大约99％的micotoxins，减少杀虫药大约75-99％。
12.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，冷却步骤一部分在所述反应器(4)进行，一部分接下来在冷却器(7)进行。
13.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述冷却步骤在所述反应器(4)进行。
14.根据权利要求12或13所述的工艺，其特征在于，在冷却步骤期间，所述反应器(4)的内压是负的，大约为0.9kg/平方厘米。
15.根据权利要求14所述的工艺，其特征在于，在冷却步骤，温度在最大大约70℃和最小大约10℃的限度内。
16.一种处理谷物的设备，包括至少一个反应器(4)，所述设备的特征在于，所述反应器(4)连接到施加负压的装置(9)。
17.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，所述设备包括连接到配料装置(3)的进料器(2)，所述配料装置(3)连接到所述反应器(4)，可选择地使进料器装入谷物到所述反应器(4)。
18.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，所述施加负压的装置是真空泵(9)。
19.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，所述施加负压的装置至少对应于一个喷射器(9｀)和一个热压机型喷射器(7｀)。
20.根据权利要求18所述的设备，其特征在于，所述真空泵(9)连接到气压罐(11)和气压冷凝器(8)。
21.根据权利要求19所述的设备，其特征在于，所述喷射器(9｀)连接到气压罐(11)和气压冷凝器(8)。
22.根据权利要求18或19所述的设备，其特征在于，所述设备包括非直接加热系统和沉入谷物的切向蒸汽注入系统。
23.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，所述反应器包括设置在内部的基本倾斜的均匀化摆片(21)。
24.根据权利要求16到23中任一项的设备，其特征在于，所述设备还包括至少一个连接到所述反应器(4)的润湿器(14)。
25.根据权利要求24所述的设备，其特征在于，所述设备可通过自动系统进行控制和监视。
全文摘要
提出一种谷物预处理工艺，其包括步骤a)通过可控方式将谷物装到反应器(4)中；b)施加第一负压到反应器(4)；c)对反应器(4)中的谷物加热；d)施加第二负压到反应器(4)；e)冷却谷物。还提出一种预处理谷物的设备，该设备包括至少一个反应器(4)，反应器连接到施加负压的装置(9)。
文档编号A23L1/182GK1610509SQ02826347
公开日2005年4月27日 申请日期2002年4月16日 优先权日2001年10月30日
发明者沃纳·欧文·瓦格纳 申请人:沃纳·欧文·瓦格纳