CC BY
25
УДК 664.2.059.225
Исследования в области получения эфиров тритикалевого
крахмала
Д.А. Соломин; Л.С. Соломина, канд. техн. наук ВНИИ крахмалопродуктов - филиал ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН, Московская обл., п. Красково
Реферат
Крахмапопаточная отрасль обеспечивает потребность внутреннего рынка по модифицированным крахмалам менее чем на 20%. Увеличение объемов производства модифицированных крахмалов на предприятиях отрасли, расширение их ассортимента и повышение импортозамещения является актуальной задачей для крахмалопаточной отрасли. Показана возможность получения фосфатных эфиров крахмала холодного набухания влаготермохимическим методом на основе тритикалевого крахмала. В качестве эфирообра-зующего реагента использовали гексаметафосфат натрия. Высушивание крахмальной суспензии с реагентами осуществляли на вальцовой сушилке. Исследовано влияние основных технологических факторов, в том числе расхода реагента, температуры высушивания крахмальной суспензии и рН суспензии на физико-химические свойства крахмалофосфатов холодного набухания. Разработан технологический режим получения крахмалофосфата белого цвета, без постороннего запаха, с повышенной влагоудерживающей способностью, набухаемостью и динамической вязкостью: при этом расход гексаметафосфата натрия составляет 1,0% к массе СВ крахмала, рН крахмальной суспензии - 9,5, продолжительность обработки крахмальной суспензии реагентами при температуре 50 °С - 1 ч, температура высушивания суспензии с реагентами на вальцовой сушилке - 150...160 °С. Определены зависимости показателей качества крахмалофосфатов от технологических параметров получения. Результаты исследований свидетельствуют о протекании одновременно двух реакций в технологическом процессе: реакции этерификации и расщепления полисахаридных молекул крахмала. Установлено, что плотность массы готового продукта, определенная при атмосферном давлении, колеблется в интервале 530-565кг/м3 в зависимости от степени его измельчения. Использование зерна тритикале как более дешевого нетрадиционного сырья для производства крахмала и крахмалопродуктов позволит расширить не только сырьевую базу, но и ассортимент нативных, модифицированных крахмалов и сахаристых продуктов в крахмалопаточной отрасли.
Ключевые слова
крахмал; крахмалофосфаты холодного набухания; технологические параметры; тритикалевый; физико-химические свойства; этерификация
Цитирование
СоломинД.А., СоломинаЛ.С. (2018) Исследования в области получения эфировтритикалевого крахмала// Пищевая промышленность. 2018. №10. С. 91-95.
Researches in the field of receiving of triticale starch ethers
D.A. Solomin, L.S. Solomina, Candidate of Technical Sciences All-Russian Research Institute of Starch Products-a branch of the Federal Scientific Center for Food Systems named after V.M. Gorbatova, Moscow reg., Kraskovo
Abstracts
The starch syrup branch provides demand of the domestic market for modified starch less than for 20%. Increase in the production of modified starches at the enterprises of the branch, widening their range and increase in import substitution are pressing tasks for the starch syrup branch. It is shown the possible receiving of phosphate ethers of cold swelling starch by a moisture thermochemical method based on triticale starch. Sodium hexametaphosphate was used as an ether-forming reagent. Starch suspension with reagents was dried on a roller drier. It was investigated influence of the main technology factors, such as a consumption of a reagent, drying temperature of starch suspension and pH of suspensions on physical and chemical properties of starchphosphate of cold swelling. The technological mode of obtaining the starchphosphate of white color, without after-smell, with the increased water-retaining power, swelling capacity and dynamic viscosity was developed: at the same time, the consumption of sodium hexametaphosphate makes 1,0% to starch DS, pH of starch suspension is 9,5, processing duration of starch suspension with reagents at 50 °C is 1 hour, drying temperature of suspension with reagents on a roller drier is 150...160 °C. Dependences of quality indexes of starchphosphate on technological parameters is defined. Results of researches demonstrate a simultaneous course of two reactions in the technological process: reactions of etherification and splitting of polysaccharide molecules of starch. It is established that mass density of the end stock determined at atmospheric pressure varies within 530-565 kg/m3 depending on its crushing extent. Triticale grain used as the cheaper nonconventional raw material for production of starch and starch products, will allow to expanding not only a range of raw materials, but also the range of native, modified starches and sugary products in starch syrup branch.
Key words
etherification; physical and chemical properties; starchphosphate of cold swelling; technological parameters; triticale starch Citation
Solomin D.A., Solomina L.S. (2018) Researches in the field of receiving of triticale starch ethers // Food processing industry = Pishhevaya promishlennost. 2018. №11. P. 91-95.
Несмотря на ростпроизводства модифицированных крахмалов в крах-малопаточной отрасли, потребность в них в РФ в большей части покрывается за счет импорта. Это обусловлено динамичным развитием отраслей -потребителей крахмала пищевой промышленности, в том числе мясной, молочной, кондитерской, хлебопекарной, а также технических отраслей: целлюлозно-бумажной, текстильной, нефтяной, полиграфической, потребляющих импортный модифицированный крахмал в больших объемах. За последние 10 лет крахмалопаточная отрасль обеспечивает потребность внутреннего рынка по модифицированным крахмалам менее чем на 20% от общего объема потребления. В 2017 г. для обеспечения растущего спроса российских потребителей поступило по импорту 87,72 тыс. т модифицированных крахмалов, а на российских крах-малопаточных предприятиях было произведено 20,47 тыс. т. Доля импорта модифицированных крахмалов на внутреннем рынке составила 81,2%.
В большом количестве по импорту поступают эфиры крахмала холодного и горячего набухания из разного сырья, которые широко используются в качестве связующего, стабилизирующего, загущающего или клеевого компонента в различных отраслях промышленности.
Во ВНИИК проводятся исследования по разработке технологий модифицированных крахмалов и сахаристых продуктов на основе традиционных и нетрадиционных видов крахмала.
На современном этапе внимание исследователей привлекает культура тритикале, полученная в результате межродовой гибридизации пшеницы и ржи. Создано много различных сортов тритикале с разнообразными свойствами [1, 2]. Высокая урожайность зерна тритикале (до 12т/га), большое содержание в нем крахмала (до 72%) позволяет считать дан-
ный продукт перспективным сырьем для производства крахмала и его модификаций [3_б].
Цель исследования - разработать научно обоснованные параметры получения эфира тритикалевого крахмала холодного набухания с повышенной водосвязывающей способностью.
Увеличение объемов производства модифицированных крахмалов на предприятиях отрасли, разработка новых технологий эфи-ров крахмала холодного набухания с использованием более дешевого зернового крахмала является актуальной задачей для крахмало-паточной отрасли. Исследования направлены на снижение зависимости от импорта, повышение объемов отечественного производства и расширение ассортимента эфиров крахмала холодного набухания. При разработке технологии эфиров крахмала применен влаготермо-химический метод для изменения свойства биополимера в заданном направлении. Этот метод позволяет получать эфиры крахмала с новыми физико-химическими свойствами и широким спектром их применения в технологических производствах, не требующих варки.
В качестве объекта исследования выбраны тритикалевый крахмал отечественного производства со следующими физико-химическими показателями: цвет - белый, массовая доля влаги - 9,7%; массовая доля золы - 0,2%; массовая доля протеина - 0,54%; содержание растворимых в холодной воде веществ - 1,2%; титруемая кислотность - 18,4см3 0,1 н ЫаОН.
В качестве химического реагента -эфирообразователя использовали гексаметафосфат натрия по ГОСТ 20291.
В работе использованы как общепринятые, так и специальные методы оценки качества сырья и готовых продуктов. Физико-химические свойства готового продукта оце-
нивали по следующим методам: динамическую вязкость 3%-ного клейстера определяли вискозиме-трическим методом на вискозиметре Гепплера; углеводный состав водорастворимой фракции крахмала - методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) на анализаторе Bischoff по ГОСТ 33917; набухаемость - по ТУ 9187-001-27949689-03 «Крахмало-продукты набухающие», водосвя-зывающую способность - по методу Шоха.
Получение фосфатных эфиров крахмала (крахмалофосфатов) холодного набухания осуществлялось в опытно-производственном цехе института. Проведенные ранее исследования по получению картофельного крахмалофосфата показали, что реакция эфирообразования (эте-рификации) интенсивно протекает в щелочной среде [7]. Для проведения исследования готовили 40%-ную крахмальную суспензию, в которую добавляли расчетное количество раствора гексаметафосфата натрия и 2 н раствора гидроокиси натрия. Расход гексаметафосфата натрия изменяли от 0 до 1,5% в пересчете на Р205 к массе сухих веществ (СВ) крахмала, а рН суспензии от 6,8 до 11,5. Для проведения реакции этерификации крахмальную суспензию с реагентами нагревали до 50 °С и выдерживали 1 ч при непрерывном перемешивании, затем высушивали на вальцовой сушилке. Температуру нагрева вальцов изменяли от 140 до 180 °С. Продолжительность высушивания крахмальной суспензии с реагентами составляла 30 с. Пленки измельчали до порошка, который просеивали через металлическую сетку с размером стороны квадратной ячейки 1 мм.
В естественном состоянии натив-ный крахмал не набухает и нерастворим в холодной воде. Однако вла-готермическая обработка крахмала на вальцовой сушилке в присутствии реагентов приводит к значительным
изменениям природной структуры крахмала, к частичной деполимеризации его полисахаридных молекул с образованием частиц, переходящих в растворимое состояние, а также к образованию пористой пленки, что придает ему способность поглощать воду, увеличивая при этом свой объем. Все виды крахмалов, полученных с использованием вальцовой сушилки, относятся к модифицированным крахмалам холодного набухания, способным удерживать воду, образовывать кпейстеры или гели при смешивании с холодной водой. Как за рубежом, так и в Российской Федерации к вопросам производства и применения моди-
фицированных крахмалов холодного набухания постоянно проявляется повышенный интерес.
На технологический процесс получения эфиров крахмала холодного набухания значительное влияние оказывают такие факторы, как вид исходного крахмала, расход реагента, температура обработки, а также конструктивные параметры вальцовой сушилки: частота вращения вальцов и чистота обработки их поверхности. При получении эфиров крахмала протекают химические процессы, ведущие к ослаблению и частичному разрушению водородных и гликозидных связей, об-
разованию новых связей, изменению структуры крахмала. Следствием всех этих процессов является изменение водосвязывающей способности, набухаемости, динамической вязкости.
Влияние расхода гексаметафосфата натрия на водосвязывающую способность тритикалевого крахмалофосфа-та, полученного при рН суспензии 9,5 и температуре высушивания 160 °С на вальцовой сушилке показано на рис. 1.
Анализ данных диаграммы показывает, что с увеличением расхода гексаметафосфата натрия до 1,0% водосвязывающая способность крах-малофосфата повышается. Дальнейшее повышение расхода реагента от 1,0 до 1,5% существенно не изменяет значение этого показателя. Водосвязывающая способность тритикалевого крахмалофосфата повышается примерно в 1,7 раза по сравнению с тритикалевым крахмалом, полученным без реагента. Все образцы исследуемых крахмалов быстро набухали в холодной воде, образуя однородные клейстеры. Показатели набухаемости крахмалофосфатов, определенные по общепринятой методике в крахмалопаточной отрасли, имели одинаковые значения 20 г/г.
Повышениединамической вязкости образцов крахмалофосфата, полученных при одинаковой температуре (160 °С), но разном расходе реагента, свидетельствует об образовании новых связей в полисахаридных молекулах крахмала в результате протекания реакции этерификации (рис. 2). При расходе реагента 1,0...1,5% к массе СВ крахмала образцы крахмалофосфата имели практически одинаковую максимальную динамическую вязкость, которая превышала примерно в 3,6 раза динамическую вязкость тритикалевого набухающего крахмала, полученного без реагента.
На основании результатов исследования рекомендован расход гексаметафосфата натрия в количестве 1,0% к массе СВ крахмала для промышленного получения тритикалевого крахмалофосфата холодного набухания методом влаготермохимической обработки.
Исследовано влияние рН крахмальной суспензии на физико-химические свойства готового крахмалофосфата. Изменение рН крахмальной суспен-
0.75 I |_>5 и
Расход гексаметафосфата натрия, % к СВ крахмала
Рис. 1. Влияние расхода гексаметафосфата натрия на водосвязывающую способность тритикалевого крахмалофосфата
! 20
Я 100
80
60
40
20
-г-1-1-1-1-
О 0,25 0,5 0,75 1 1,25
Расход гексаметафосфата натрия, %
1,5
Рис. 2. Влияние расхода
гексаметафосфата натрия
на динамическую вязкость клейстера тритикалевого крахмалофосфата
Влияние щелочной среды на водосвязывающую способность и набухаемость тритикалевого крахмалофосфата
Показатель рН крахмальной суспензии
6,8 8,5 9,5 10,5 11,5
Водосвязывающая способность, г/г 13,5 15,1 16,8 16,7 16,8
Набухаемость, г/г 15,9 18,1 20,0 20,0 20,0
т ио 17К1
Температура высушивания крахмальной суспензии, °С
□ Набухаемость
Водосвязывающая способность
Рис. 3. Влияние температуры высушивания крахмальной суспензии на набухаемость и водосвязывающую способность тритикалевого крахмалофосфата
£120
Г100
80 60 40
20
0,25% ГМФ N8 0,5% ГМФ N8 0,75% ГМФ N8 1% ГМФ N8 1,25% ГМФ Ыа
-1-1---1-
| 140 150 160 170 ¡80
1=1 Температура высушивания суспензии, °С
Рис. 4. Влияние температуры высушивания крахмальной суспензии на динамическую вязкость клейстера тритикалевого крахмалофосфата
зии осуществлялось посредством добавления в нее расчетного количества 2 н раствора гидроокиси натрия. В таблице приведены результаты экспериментальных исследований по изменению водосвязывающей способности и набухаемости крах-малосфатов, полученных при температуре 160 "С, 1%-ном расходе гексаметафосфата натрия и разном показателе рН суспензии. Повышение водосвязывающей способности и набухаемости крахмалофосфатов в интервале рН 6,8...9,5 свидетельствует о том, что в щелочной среде реакция этерификации протекает более интенсивно, чем в нейтральной среде. Однако при рН 10,5...11,5 вышеуказанные показатели практически не изменяются. В промышленных условиях для выработки тритикалевого крахмалофосфата с повышенной водосвязывающей способностью целесообразно готовить крахмальную суспензию с добавлением в нее гидроокиси натрия до получения рН не менее 9,5.
К переменным факторам, существенно влияющим на свойства набухающего крахмалофосфата, следует отнести температуру нагрева вальцов. При обработке крахмальной суспензии на вальцовой сушилке происходит не только ее высушивание, но и разрушение упорядоченной структуры зерен крахмала и образование пористой структуры. Для изучения влияния температуры высушивания на свойства крахмалофосфатов были приготовлены крахмальные суспензии с различной дозировкой реагента.
Исследования показали, что с увеличением температуры обработки повышается набухаемость тритикалевого крахмалофосфата (рис. 3). Образцы, полученные при температуре 150...180 "С, быстро набухали в холодной воде с образованием однородной консистенции. Наибольшую водосвязывающую способность имели образцы крахмалофосфата, полученные при температуре 150... 160 "С. По мере дальнейшего увеличения температуры высушивания водосвязывающая способность исследуемых образцов понижалась, что обусловлено повышением скорости расщепления водородных и гли-козидных связей полисахаридов, которые удерживают мицеллярные
частицы и молекулы воды в связанном состоянии.
Высушивание крахмальной суспензии при высокой температуре и в присутствии реагентов позволяет за короткий период не только разрушить природную структуру зерен крахмала, но и обеспечить образование продукта с новой структурой в виде пористой пленки.
С повышением температуры высушивания крахмальной суспензии динамическая вязкость клейстера крахмалофосфата уменьшается (рис. 4). Эти результаты свидетельствуют о деполимеризации полисахаридных молекул крахмала, которая повышается с ростом температуры. Однако показатели
динамической вязкости образцов крахмалофосфата, полученных при разных температурах высушивания, значительно выше показателей набухающего тритикалевого крахмала, полученного без реагента, что свидетельствует о протекании процесса этерификации крахмала. Динамическая вязкость образцов, полученных при расходе реагента 1,0 и 1,25% к массе СВ крахмала, различалась незначительно. Результаты исследований свидетельствуют о протекании одновременно двух реакций: расщепления полисахаридных молекул крахмала (реакция деполимеризации) и присоединения фосфатных групп к мономерам крахмала (реакция этерификации).
На основании проведенных исследований установлено, что температуры высушивания крахмальной суспензии 150...160 °С обеспечивали высокую технологичность процесса, образование однородной эластичной пленки и получение крахмалофосфа-тов белого цвета. При этом готовый продукт имел высокую набухаемость в холодной воде, динамическую вязкость и водоудерживающую способность. Указанный выше интервал температур рекомендован для промышленного производства тритикалевого крахмалофосфата холодного набухания.
Исследование углеводного состава образца тритикалевого крахмалофосфата, полученного при расходе гексаметафосфата натрия 1% к массе СВ крахмала и температуре высушивания 160 "С, показало отсутствие moho-, ди- и тетрасахаридов и присутствие высокомолекулярных соединений, что свидетельствовало об отсутствии глубокого расщепления полисахаридных молекул крахмала. По внешнему виду образцы тритикалевого крахмалофосфата представляет собой мелкодисперсные порошки белого цвета, без запаха. Плотность массы готового продукта, определенная при атмосферном давлении, колеблется в интервале 530-565 кг/м3 в зависимости от степени измельчения готового продукта.
Таким образом, в результате проведенных исследований изучено влияние основных технологических параметров на физико-химические свойства тритикалевого крахмалофосфата холодного набухания. Определены научно обоснованные технологические параметры получения тритикалевого крахмалофосфата с наибольшей водосвязывающей способностью и набухаемостью в холодной воде. При этом расход гексаметафосфата натрия составляет 1,0% к массе СВ крахмала, рН крахмальной суспензии - 9,5, продолжительность об-
работки крахмальной суспензии реагентами при температуре 50 °С - 1 ч, температура высушивания суспензии на вальцовой сушилке - 150... 160 "С. Установлено, что при обработке тритикалевого крахмала влаготермохимическим методом в присутствии гексаметафосфата натрия одновременно протекают две реакции: этерификация и деполимеризация полисахаридных молекул крахмала.
Использование зерна тритикале, как более дешевого нетрадиционного сырья для производства крахмала и крахмалопродуктов, позволит расширить не только сырьевую базу, но и ассортимент нативных и модифицированных крахмалов в крахма-лопаточной отрасли.
ЛИТЕРАТУРА
1. Грабовец, А. И. Значение тритикале как культуры на современном этапе // С борник. Достижения, направления развития сельскохозяйственной науки России. - Ростов-на-Дону, 2005. -С. 65-68.
2. Беспалова, Л. А. Сорта пшеницы и тритикале КНИИСХ/Л.А. Беспалова [и др.] - Краснодар: КНИИСХ, 2009. -92 с.
3. Андреев, Н.Р. Новые источники сырья для производства крахма-ла/Н.Р. Андреев, А.И. Грабовец, Д.А. Соломин // Экономика, труд и управление в сельском хозяйстве. - 2013. - №1. -С. 73-76.
4. Соломина, Л. С. Расширение сырьевой базы для производства модифицированных крахмалов/Л.С. Соломина, Д.А. Соломин // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2015. - №6. -С. 36-40.
5. Соломин, Д.А. Факторы, влияющие на процесс окисления тритикалевого крахмала/Д.А. Соломин, Л. С. Соломина// Хранение и переработка сельхозсырья. - 2017. - №5. - С. 18-22.
6. Sharma, R. Genetic variation for «waxy» proteins and starch characteristics
of triticale/Sharma R., Cooper K.V., Jenner C.F. // Proceedings of the 5-th International triticale symposium. -Poland. Radzikow. - 2002. -VI.-P. 245-253.
7. Соломина, Л.С. Расширение ассортимента эфиров крахмала холодного набухания/Л.С. Соломина, Д.А. Соломин, П.Ю. Варицев // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2016. - №8. -С. 20-23.
REFERENCES
1. Grabovec, A.I. Znachenie tritikale kak kul'tury na sovremennom jetape // Sbornik. Dostizhenija, napravlenija razvitija sel'skohozjajstvennoj nauki Rossii. - Rostov-na-Donu, 2005. -S. 65-68.
2. Bespalova, L.A. Sorta pshenicy i tritikale KNIISH/L.A. Bespalova [i dr.] -Krasnodar: KNIISH, 2009. - 92 s.
3. Andreev, N.R. Novye istochniki syr'ja dlja proizvodstva krahma-la/N.R. Andreev, A.I. Grabovec, D.A. So-lomin // Jeko-nomika, trud i upravlenie v sel'skom hozjajstve. - 2013. - №1. -S. 73-76.
4. Solomina, L.S. Rasshirenie syr'evoj bazy dlja proizvodstva modificirovannyh krahmalov/L.S. Solomina, D.A. Solo-min // Hranenie i pererabotka sel'hoz-syr'ja. - 2015. - №6. - S. 36-40.
5. Solomin, D.A. Faktory, vlijajush-hie na process okislenija tritikalevogo krahmala/D.A. Solomin, L.S. Solomina//Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ja. -2017. - №5. - S. 18-22.
6. Sharma, R. Genetic variation for «waxy» proteins and starch characteristics of triticale/Sharma R., Cooper K.V., Jenner C.F. // Proseedings of the 5-th International triticale symposium. -Poland. Radzikow. - 2002. -VI.-P. 245-253.
7. Solomina, L.S. Rasshirenie assor-timenta jefirov krahmala holodnogo nabuhanija/L.S. Solomina, D.A. Solomin, P.Ju. Varicev // Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ja. - 2016. - №8. -S. 20-23.
Авторы
Соломин Дмитрий Анатольевич,
Соломина Лидия Степановна, канд. техн. наук
ВНИИ крахмалопродуктов - филиал ФНЦ пищевых систем
им. В.М. Горбатова, 140051, Московская обл., п. Красково,
ул. Некрасова, д. 11, solominmitya@yandex.ru
Authors
Solomin Dmitry Anatolievich,
Solomina Lidiya Stepanovna, Candidate of Technical Science All-Russian Research Institute for Starch Products - a branch of the Federal Scientific Center for Food Systems named after V.M. Gorbatova, 11, Nekrasova str., Kraskovo, Luberetskiy district, Moscow region, 140051, solominmitya@yandex.ru
