CC BY
60
doi: 10.24411/0235-2451-2020-10515 УДК664. 2.059
Формирование свойств тритикалевого цитратного крахмала
Л. С. СОЛОМИНА, Д. А. СОЛОМИН
Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов - филиал Федерального научного центра пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН, ул. Некрасова, 11, пос. Красково, Люберецкий р-н, Московская обл., 140051, Российская Федерация
Резюме. Исследования проводили с целью определения влияния основных технологических факторов (расхода реагента, температуры обработки, частоты вращения шнеков экструдера) производства тритикалевого цитратного крахмала методом экструзии на его физико-химические свойства. В качестве реагента использовали лимонную кислоту. Концентрацию ее раствора изменяли в диапазоне 0...0,45 % к массе сухих веществ крахмала. Влияние температуры определяли, варьируя ее в диапазоне 140...190 оС с шагом в 10 оС, частоты вращения шнеков - 125.145 об./мин с шагом 5 об./мин. Влажность смеси во всех экспериментах составляла 25 %. Физико-химические свойства тритикалевого, пшеничного и кукурузного цитратных крахмалов сравнивали на примере образцов, произведенных при концентрации лимонной кислоты 0,35 % к сухой массе крахмала, температуре обработки 170 оС, частоте вращения шнеков 135 об./мин. С повышением концентрации лимонной кислоты от 0 до 0,45 % степень растворимости образцов тритикалевого цитратного крахмала возрастает в 2,5 раза, динамическая вязкость клейстера - в 1,8 раза. Для получения тритикалевого цитратного крахмала белого цвета с максимальной вязкостью 990 мПа-с при температуре 160 оС концентрация лимонной кислоты должна составлять 0,35 % к сухой массе крахмала. Степень растворимости тритикалевого цитратного крахмала достигает максимального значения (100 %) при температурах 170.190 оС и концентрации реагента соответственно 0,45...0,30 % к массе сухого крахмала. При одинаковых условиях выработки степень растворимости тритикалевого цитратного крахмала (92,01 ± 0,19 %) выше, чем у пшеничного и кукурузного соответственно на 1,97 и 8,89 %, динамическая вязкость (945 ± 4 мПа-с) - на 9 мПа-с и 110 мПа-с. Результаты исследований легли в основу нормативной документации на производство тритикалевого цитратного крахмала.
Ключевые слова: тритикалевый крахмал, лимонная кислота, технологические параметры, метод экструзии, физико-химические показатели, тритикалевый цитратный крахмал.
Сведения об авторах: Л.С. Соломина, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник (e-mail: 8о1оттаНс11уа@уапс1ех.ги); Д. А. Соломин, зав. сектором.
Для цитирования: Соломина Л. С., Соломин Д. А. Факторы и их влияние на формирование свойств тритикалевого цитратного крахмала // Достижения науки и техники АПК. 2020. Т. 34. № 5. С. 73-76. doi: 10.24411/0235-2451-2020-10515.
Formation of triticale citrate starch properties
L. S. Solomina, D. A. Solomin
All-Russian Research Institute of Starch Products, branch of the Gorbatov Federal Science Center of Food Systems, Russian Academy of Sciences, ul. Nekrasova, 11, pos. Kraskovo, Lyuberetskii r-n, Moskovskaya obl., 140051, Russian Federation
Abstract. The work aimed at the determination of the influence of the main technological factors (reagent consumption, processing temperature, the rotational speed of the extruder screws) of the production of triticale citrate starch by the extrusion method on its physi-cochemical properties. Citric acid was used as a reagent. The concentration of its solution was changed in the range of 0-0.45% of the weight of starch dry matter. The influence of temperature was determined by varying it in the range of 140-190 C in increments of 10 C; the rotational speeds of the screws varied in the range of 125-145 rpm/min in increments of 5 rpm. The humidity of the mixture in all the experiments was 25%. The physicochemical properties of triticale, wheat, and corn citrate starches were compared with the samples produced at a citric acid concentration of 0.35% to the dry mass of starch, processing temperature of 170 C, and screw rotation speed of 135 rpm. With an increase in the concentration of citric acid from 0% to 0.45%, the solubility of samples of triticale citrate starch increased 2.5 times; the dynamic viscosity of the paste increased 1.8 times. To obtain white triticale citrate starch with a maximum viscosity of 990 MPa*s at a temperature of 160 C, the concentration of citric acid should be 0.35% of the starch dry mass. The solubility of triticale citrate starch reaches its maximum value (100%) at temperatures varying from 170 C to 190 C. Under the same production conditions, the solubility of triticale citrate starch (92.01 ± 0.19%) was higher than that of wheat and corn by 1.97% and 8.89%, respectively; dynamic viscosity (945 ± 4 mPa*s) was higher by 9 MPa*s and 110 MPa*s, respectively. The study results formed the basis of regulatory documentation for the production of triticale citrate starch.
Keywords: triticale starch; citric acid; technological parameters; extrusion method; physicochemical parameters; triticale citrate starch. Author Details: L. S. Solomina, Сand. Sc. (Tech.), leading research fellow (e-mail: solominalidiya@ yandex.ru); D. A. Solomin, head of division.
For citation: Solomina LS, Solomin DA. [Formation of triticale citrate starch properties]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2020;34(5):73-6. Russian. doi: 10.24411/0235-2451-2020-10515.
К числу важнейших направлений инновационного развития предприятий крахмалопаточной отрасли следует отнести производство модифицированных крахмалов. Отечественные предприятия не обеспечивают российских потребителей такой продукцией в полном объеме и дефицит покрывается ее поставками из-за рубежа [1].
Высокий уровень импорта (более 80 % от общего объема потребления) обусловлен динамичным развитием пищевой, целлюлозно-бумажной, текстильной, нефтяной, полиграфической промышленности, потребляющих модифицированный крахмал в больших объемах [1]. Увеличение объемов производства и расширение ассортимента модифицированных крахмалов - актуальная задача для крахмалопаточной отрасли.
Высоким спросом у российских потребителей пользуются эфиры крахмала, на долю которых в общем объеме импорта модифицированных крахмалов приходится более 70 % [1]. Клейстеры эфиров крахмала обладают повышенной вязкостью и стабильностью при хранении и механическом воздействии. Их производство основано на способности реакционных групп молекул полисахаридов крахмала вступать в химические реакции с органическими и неорганическими соединениями [2].
По способу применения эфиры крахмала делят на две группы: холодного и горячего набухания. В мировой практике эфиры крахмала холодного набухания производят экструзионным и влаготермическим (обработка сырья на вальцовой сушилке) методами. Первый из них более эффективен, он предусматривает одновремен-
Таблица 1. Влияние концентрации лимонной кислоты на физико-химические свойства тритикалевого цитратного крахмала (Т = 160 оС)
Концентрация лимонной кислоты, % Кислотность, см3 0,1 М ЫаОН Степень растворимости, % Динамическая вязкость, мПас Цвет
0 19,30 ± 0,10 36,20 ± 0,23 550 ± 6 белый
0,05 22,39 ± 0,06 46,13 ± 0,11 772 ± 16 белый
0,10 24,79 ± 0,09 55,23 ± 0,16 830 ± 15 белый
0,15 27,60 ± 0,11 62,21 ± 0,14 880 ± 14 белый
0,20 29,70 ± 0,07 66,28 ± 2,81 921 ± 33 белый
0,25 31,19 ± 0,15 74,18 ± 0,13 950 ± 8 белый
0,30 33,01 ± 0,11 79,14 ± 0,16 962 ± 22 белый
0,35 35,18 ± 0,14 83,38 ± 0,17 990 ± 33 белый
0,40 37,72 ± 0, 13 88,32 ± 0,19 989 ± 18 палевый
0,45 40,11 ± 0,09 92,28 ± 0,15 987 ± 10 палевый
НСР 0,23 1,88 40,9
F-критерий 28002,72 974,61 1375,83
г* 0,997 0,990 0,867
*коэффициенты корреляции концентрации лимонной кислоты c физико-химическими свойствами тритикалевого цитратного крахмала (р < 0,05).
ное воздействие на сырьё тепла, влаги, химического реагента и механических напряжений.
Ценное сырье для производства нативного крахмала, его модификаций и спирта - зерно тритикале, которое содержит до 72 % крахмала [3, 4, 5]. При этом потенциал его применения еще полностью не реализован [6]. Сравнительная характеристика образцов тритикалевого крахмала показала, что их физико-химические свойства зависят от сорта культуры и отличаются содержанием амилозы (23,9...34,5 %), размером гранул, молекулярной массой, температурой клейстеризации [7, 8].
Цель исследования - разработать технологический режим производства тритикалевого цитратного крахмала с повышенной вязкостью и степенью растворимости в холодной воде.
Условия, материалы и методы. Объект исследования - тритикалевый крахмал Мглинского крахмального завода со следующими физико-химическими характеристиками: цвет - белый; массовая доля влаги - 13,4 %; содержание растворимых веществ - 1,4 %; массовая доля золы - 0,13 %; массовая доля белка -0,58 %; титруемая кислотность - 19,3 см3 0,1 N NaOH.
Физико-химические свойства нативного и тритикалевого цитратного крахмала оценивали по следующим методикам: цвет, кислотность, массовую долю влаги, белка и золы - по ГОСТ 7698-93; степень растворимости тритикалевого цитратного крахмала в холодной воде - рефрактометрическим методом на рефрактометре «УРЛ» по ГОСТ 6034-2014; динамическую вязкость 10 %-ного клейстера - вискозиметри-ческим методом с использованием вискозиметра Гепплера; редуцирующие вещества - химическим методом Бертрана.
Эффективность производства модифицированного крахмала холодного набухания методом экструзии зависит от вида крахмала и технологических параметров обработки (расход реагента, температура экструзии, частота вращения шнеков экструдера). Трити-
74 -
калевый цитратный крахмал изготавливали методом экструзии на опытном производстве ВНИИ крахмало-продуктов в двухшнековом экструдере марки Р3 КЭД-
В качестве реагента использовали лимонную кислоту моногидрат пищевую (ГОСТ 908-2004), которую растворяли в горячей воде при температуре 60 оС. Концентрацию лимонной кислоты изменяли от 0 до 0,45 % к сухой массе крахмала с интервалом 0,05 %. Раствор лимонной кислоты распыляли пульверизатором на сухой крахмал при непрерывном перемешивании в смесителе. Массовая доля влаги подкисленного крахмала во всех исследуемых образцах составляла 25 %. Экструзионную обработку подкисленного крахмала проводили при температуре 160 оС и частоте вращения шнеков 135 об./мин.
Влияние температуры определяли, варьируя ее в диапазоне 140.190 оС с интервалом в 10 оС при частоте вращения шнеков экструдера 135 об./мин и концентрации реагента в диапазоне 0...0,45 % к сухой массе крахмала.
Зависимость свойств готового продукта от частоты вращения шнеков исследовали в диапазоне 125. 145 об./мин с интервалом 5 об./мин, при температуре обработки крахмала 160 оС и концентрации реагента 0,35 % к сухой массе крахмала.
Образцы для сравнения физико-химических свойств тритикалевого, пшеничного и кукурузного цитратных крахмалов изготавливали на опытном производстве ВНИИ крахмалопродуктов при концентрации лимонной кислоты 0,35 % к сухой массе крахмала, температуре обработки 170 оС, частоте вращения шнеков 135 об./ мин. Экструдат выпрессовывали через отверстия в матрице диаметром 4 мм. Готовый продукт измельчали, просеивали через металлическую сетку с размером стороны квадратной ячейки 1 мм и анализировали.
Результаты экспериментов обрабатывали статистически с расчетом средних арифметических величин (М), их стандартных ошибок (т), стандартных откло-
Рис. 1. Влияние температуры обработки и концентрации реагента на степень растворимости тритикалевого цитратного крахмала: - 140 оС; - 150 оС; - 160 оС;
Рис. 2. Влияние температуры обработки и концентрации вязкость клейстера тритикалевого цитратного крахмала: -- 170 оС; - 180 оС; - 190 оС.
реагента на динамическую ■ 150 оС; - 160 оС;
нений, коэффициентов вариации и коэффициентов корреляции с использованием программы Microsoft Office Excel 2010 методами описательной статистики и однофакторного дисперсионного анализа. Уровень значимости различий определяли с помощью критерия Фишера и расчета наименьшей существенной разницы. Зависимость степени растворимости и динамической вязкости тритикалевого цитратного крахмала от концентрации реагента и температуры обработки рассчитывали в программе Statistica 12.5. Все исследования проводили в трехкратной повторности.
Результаты и обсуждение. При увеличении концентрации лимонной кислоты от 0 до 0,45 % кислотность образцов тритикалевого цитратного крахмала возросла в 2,1 раза, растворимость - в 2,5 раза, динамическая вязкость клейстера - в 1,8 раза (табл. 1). Рассчитанные коэффициенты вариации не превышали 4 %, что соотносится с низкой вариабельностью данных эксперимента. Показатели качества образцов крахмала, произведенных с использованием лимонной кислоты разной концентрации, значимо различались. Повышение растворимости при увеличении концентрации лимонной кислоты обусловлено усилением деполимеризации молекул полисахаридов крахмала и образованием низкомолекулярных продуктов, легко растворяющихся в холодной воде. Рост вязкости свидетельствует об ускорении процесса этерификации (образования эфиров)крахмала в результате реакции лимонной кислоты с расщепленными молекулами полисахарида.
Цвет модифицированного крахмала определяет возможность его использования в качестве стабилизатора или загустителя в пищевом производстве. При температуре 160 оС образцы тритикалевого цитратного крахмала белого цвета получали в вариантах с концентрацией лимонной кислоты 0.0,35 % к мас-
се сухих веществ крахмала. При ее повышении до 0,40.0,45 % цвет образцов становился палевым из-
за образования красящих веществ.
С увеличением температуры обработки до 170, 180, 190оС и концентрации реагента соответственно 0,45; 0,40; 0,30 % к сухой массе тритикалевого крахмала его растворимость повышалась до 100 % (рис. 1). Это происходило из-за ослабления водородных связей, которые удерживают структурные частицы и молекулы воды в связанном состоянии, а также реакции гидролиза крахмала в присутствии лимонной кислоты, в результате которой образуются низкомолекулярные продукты, легко переходящие в растворимое состояние.
Степень растворимости тритикалевого цитратного крахмала (Р, %) с высокой точностью (Я2 = 0,9952) зависела от концентрации реагента (С, %) и температуры обработки (Т, оС):
Р = -309,9 + 170 ■ С - 130,4 ■ С2 + 3,379 ■ Т-- 0,007513 ■ Т2 (1)
При увеличении концентрации реагента с 0,05 до 0,40 % сухой массы крахмала динамическая вязкость образцов цитратного крахмала возрастала и достигала наибольшего уровня при 0,35 % (рис. 2). Дальнейшее повышение концентрации реагента не оказывало достоверного влияния на величину этого показателя.
С повышением температуры от 150 до 190 оС динамическая вязкость образцов, изготовленных при одинаковой концентрации реагента, уменьшалась в среднем в 1,3 раза. Это объясняется ускорением расщепления молекул крахмала при повышении температуры - разрушаются их водородные и гликозидные связи, изменяется форма (см. рис. 2). Образцы, произведенные при температуре 160.180 оС, концентрации реагента 0,40.0,45 % и частоте вращения шнеков экструдера 135 об./мин, имели палевый цвет. У цитратного крахмала, полученного при другой температуре обработке
Рис. 3. Влияние частоты вращения шнеков на степень растворимости тритикалевого цитратного крахмала: ЦЦ - частота вращения шнеков, об./мин.; ■ - степень растворимости, %.
Таблица 2. Сравнительная оценка физико-химических показателей три-тикалевого, кукурузного и пшеничного цитратных крахмалов1
Цитратный крахмал Динамическая вязкость, мПас Степень растворимости, % Массовая доля влаги, % Содержание редуцирующих веществ, %
Тритикалевый Пшеничный Кукурузный 945 ± 4 936 ± 7 835 ± 9 92,01 ± 0,19 90,04 ± 0,14 83,12 ± 0,20 8,70 ± 0,04 8,51 ± 0,03 8,13 ± 0,01 1,20 ± 0,04 1,20 ± 0,04 1,61 ± 0,01
1 при концентрации лимонной кислоты 0,35 % к сухой массе крахмала, температуре об работки 170 оС, частоте вращения шнеков 135 об./мин.
и концентрации лимонной кислоты, но той же частоте вращения шнеков, цвет был белым.
Динамическая вязкость тритикалевого цитратного крахмала (п, мПа-с) зависела от концентрации реагента (С, %) и температуры обработки (Т, оС) с точностью Я2 = 0,9947: П = -949 + 1587 ■ С - 1982 ■ С2 + 12,307 ■ Т-- 0,0181 ■ Т2 (2)
С повышением частоты вращения шнеков со 125 до 145 об./мин продолжительность обработки крахмала реагентом в рабочей камере экструдера снижалась, расщепление полисахаридов уменьшалось и, как следствие, растворимость образцов в холодной воде снижалась на 20 % (рис. 3).
При частоте вращения шнеков 130...135 об./мин межвитковый объём шнеков экструдера в зоне загрузки полностью заполнялся, сила тока в обмотке двигателя составляла 104 А и не превышала номинальную, равную 110 А. Производительность экструдера была равна 160 кг/ч. Уменьшение частоты вращения шнеков до 125 об./ мин приводило к снижению производительности до 149 кг/ч, силы тока в обмотке двигателя - до 98 А, а изготовленный экструдат требовал дополнительного высушивания. Увеличение частоты вращения шнеков до 140 и 145 об./мин повышало производительность экструдера до 166 и 172 кг/ч соответственно, но сила тока в обмотке двигателя при этом возрастала до 116 и 121А, что больше номинального значения.
Степень растворимости тритикалевого цитратного крахмала была выше, чем у пшеничного, на 1,97 %, кукуруз-
ного - на 8,89 %, динамическая вязкость - на 9 и 110 мПас соответственно (табл. 2).
Выводы. При экстру-зионной обработке трити-калевого крахмала в присутствии лимонной кислоты одновременно протекают процессы деполимеризации и этерификации, в результате которых повышается растворимость и динамическая вязкость клейстера. Для выработки тритикалевого цитратного крахмала белого цвета с максимальной вязкостью концентрация лимонной кислоты должна составлять 0,35 % к массе сухого крахмала.
Степень растворимости готового продукта в холодной воде повышается пропорционально росту температуры обработки и концентрации реагента. Наибольшая растворимость тритикалевого цитратного крахмала (100 %) достигается при температурах 170, 180, 190 оС и концентрации реагента соответственно 0,45; 0,40; 0,30 % к массе сухого крахмала. При изменении концентрации лимонной кислоты и температуры обработки можно изготовить серию тритикалевых цитратных крахмалов, имеющих разную динамическую вязкость и растворимость в холодной воде, что дает возможность использовать их в производстве киселей, напитков, кисломолочных продуктов и кондитерских изделиях в качестве углеводного компонента, загустителя или стабилизатора.
Вязкость тритикалевого цитратного крахмала выше, чем у произведенных в одинаковых условиях пшеничного и кукурузного, на 9 мПас и 110 мПас соответственно, растворимость - на 1,97 и 8,89 %.
Тритикалевый крахмал - перспективное сырье для производства эфиров крахмала. Результаты исследований легли в основу нормативной документации на промышленное производство тритикалевого цитрат-ного крахмала.
Литература.
1. Соломина Л. С., Соломин Д. А. Исследование процесса получения амилопектинового фосфатного крахмала //Хранение и переработка сельхозсырья. 2018. № 3. С. 27-35.
2. Жушман А. И. Модифицированные крахмалы. М.: Пищепромиздат, 2007. С. 179.
3. Андреев Н. Р., Соломин Д. А., Грабовец А. И. Новые источники сырья для производства крахмала // Экономика, труд и управление в сельском хозяйстве. 2013. № 1. С. 73-76.
4. Соломина Л. С., Соломин Д. А. Расширение сырьевой базы для производства модифицированных крахмалов //Хранение и переработка сельхозсырья. 2015. № 6. С. 36-40.
5. Свойства тритикале и перспективы ее использования в бродильных производствах / К. В. Кобелев, М. В. Гернет, И. Н. Грибкова и др. //Хранение и переработка сельхозсырья. 2013. № 5. С. 51-53.
6. Dobreva St. Triticale - past and future //Agricultural science and technology. 2019. Vol. 6. No. 4. Pp. 271-275. doi: 10.15547/ ast.2016.04.051
7. Characteristics and structure of starch isolated from triticale / A. Makowska, A. Szwengiel, P. Kubiak, et al. // Stärke. 2014. Vol. 66. Is. 9-10. Pp. 895-902. doi: 10. 1002/star.201300264.
8. Grain constituents and starch characteristics influencing in vitro enzymatic starch hydrolysis in Hungarian triticale genotypes developed for food consumption/B. Lango, S. Jaiswal, L. Bona, et al.//Cereal Chemistry. 2018. V. 95. No. 6. Pp. 861-871. doi:10.1002/ cche.10104.
References
1. Solomina LS, Solomin DA. [Study of the process of obtaining amylopectin phosphate starch]. Khranenie i pererabotka sel'khozsyr'ya. 2018;(3):27-35. Russian.
2. Zhushman AI. Modifitsirovannye krakhmaly [Modified starches]. Moscow: Pishchepromizdat; 2007. P. 179. Russian.
3. Andreev NR, Solomin DA, Grabovets AI. [New sources of starch production]. Ekonomika, trud i upravlenie v sel'skom khozyaistve. 2013;(1):73-6. Russian.
4. Solomina LS, Solomin DA. [Expansion of the raw material base for the production of modified starches]. Khranenie i pererabotka sel'khozsyr'ya. 2015;(6):36-40. Russian.
5. Kobelev KV, Gernet MV, Gribkova IN, et al. [Properties of triticale and prospects for its use in fermentation plants]. Khranenie i pererabotka sel'khozsyr'ya. 2013;(5):51-3. Russian.
6. Dobreva St. Triticale - past and future. Agricultural science and technology. 2019;6(4):271-5. doi: 10.15547/ ast.2016.04.051.
7. Makowska A, Szwengiel A, Kubiak P, et al. Characteristics and structure of starch isolated from triticale. Stärke. 2014;66(9-10):895-902. doi: 10.1002/star.201300264.
8. Lango B, Jaiswal S, Bona L, et al. Grain constituents and starch characteristics influencing in vitro enzymatic starch hydrolysis in Hungarian triticale genotypes developed for food consumption. Cereal Chemistry. 2018;95(6):861-871. doi:10.1002/cche.10104.
