CC BY
193
Новые исследования в области химии, технологии и маркетинга крахмала
и крахмалопродуктов
О международной конференции «Химия и технология крахмала»
г. Детмольд, Германия
Н. Р. Андреев, д-р техн. наук, член-корр. РАН, Д. Н. Лукин, канд. экон. наук,
В. Г. Гольдштейн, канд. техн. наук Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов
С 13 по 14 апреля 2016 г. Ассоциацией по исследованию злаковых (AGFArbeitsgemeinschaft Getreideforschung e. V) совместно с Институтом Макса Рубнера (Max Rubner -Institut) в г. Детмольде (Германия) проведена 67-я конференция в области химии и технологии крахмала. На конференции в присутствии более 160 участников (среди которых были представители из Англии, Австрии, Германии, Венгрии, Голландии, Греции, Израиля, Египта, России, Литвы, Швеции, Индии, Турции, Китая, Чешской республики, Франции и Уганды) были заслушаны доклады 21 спикера из 11 стран.
Совместно с конференцией была проведена выставка оборудования и вспомогательных материалов для производства крахмала и крахмалопродуктов, в которой приняли участие 17 компаний из 7 стран.
Доклады конференции были систематизированы по 7 разделам: маркетинговые исследования, биосинтез, модифицированные крахмалы, структура крахмала, использование, подсластители и технология.
1. Маркетинговые исследования
В докладе Michael von Dorp (компания Каргилл, Германия) «Прекращение власти сахара. Возможности и вызовы» приводятся данные по состоянию отрасли производства крахмала в ЕС за 2014 г. Так, в производстве крахмала и крахмалопродуктов общий годовой оборот в странах ЕС составил 8,3 млд евро, инвестиции в отрасль - 380 млн евро, инвестирование в исследования и развитие в 2013-2014 гг. - 140 млн €. Непосредственно в отрасли занято 14600 сотрудников, а косвенно связанных с этой отраслью (и зависящих от нее) - 100 тыс. человек. Из 16 млн т ежегодно производимых в ЕС крахмала и вторичных продуктов 5 млн т используются как корм для сельскохозяйственных животных, 6 млн т находят применение в пищевой промышленности и 4 млн т расходуется на непищевые цели, причем 32% от общей массы крахмала и крахма-лопродуктов потребляет кондитер-
ская промышленность и производство напитков, а 29% - остальные отрасли пищевой промышленности. Самым большим потребителем крахмала, используемого на непищевые цели, является производство бумаги и гофрированного картона - 29 % от общего количества произведенного крахмала. Подслащивающие ингредиенты докладчик разделяет на 3 категории: высококалорийные (сахар, глюкозо-фруктозные сиропы, глюкоза, глюкозные сиропы, фрук-тозные сиропы, трегалоза); низкокалорийные (мальтит, сорбит, манит, изомальт) и некалорийные (экстракт из стевии, например Трувиа и эритрит).
В настоящее время в пищевой промышленности среди подслащивающих веществ сахар занимает лидирующие позиции - 82%, подсластители, полученные из крахмала - 10%, некалорийные подсластители - 8%. Докладчик предполагает, что к 2017 г. это соотношение будет существенно меняться в пользу подсластителей, полученных из крахмала и некалорийных подсластителей.
Руководитель исследовательской группы в области крахмала и подсластителей компании LMC International Ltd. Великобритания Sara Girardello в сообщении «Новости развития рынка крахмала в ЕС и США» привела объемы производства основных видов крахмала из зернового сырья (кукурузы, пшеницы, из таких нетрадициционных
Директор Института Макса Рубнера Герхард Гаазе (Германия) показывает экспериментальный цех института директору ВНИИ крахмалопродуктов Д. Н. Лукину и научному руководителю ВНИИК Н. Р. Андрееву
видов, как рис, горох и др., а также из картофеля и кассавы (тапиоки), цены и объемы импорта и экспорта крахмала. В докладе отмечено, что в мировом производстве крахмала и крахмалопродуктов 45% вырабатывается из кукурузного зерна, 25% - из кассавы. Модифицированные крахмалы составляют около 20% от всего объема выработанного крахмала и производятся в основном из кукурузного крахмала и крахмала, полученного из кассавы. Лидерами производства крахмала из картофеля являются страны ЕС, которые поставляют 105 тыс. т крахмала в Северную Америку и Мексику и 235 тыс. т в Юго-Восточную Азию (Таиланд, Индонезию, Вьетнам, Южную Корею, Японию и Китай).
2. Биосинтез
Samuel Zeeman, (профессор Швейцарского федерального технологического института (Swiss Federal Institute of Technology ETH Zurich), руководитель группы биохимии растений, Швейцария) представил на конференции два доклада. В первом -«Разработка дрожжевой системы для исследования биосинтеза крахмала» сообщается, что в настоящее время отсутствует универсальная
модель, позволяющая проводить исследования биосинтеза крахмала. При проведении исследований биосинтеза крахмала в дрожжевых клетках S. Cerevisiae были получены нерастворимые гранулы крахмала с имитацией его биосинтеза.
Во второй презентации «Роль протеинов в биосинтезе амилозы» представлена работа группы швейцарских ученых, выявивших роль белков в процессе биосинтеза [1].
3. Модифицированные крахмалы
Christina Gabriel (аспирант в институте Фраунгофера (Fraunhofer Institute), Германия) предложила участникам конференции доклад «Модифицированный крахмал в качестве связующей водной системы для внутренних покрытий». Эта работа относится к области химической модификации крахмала для его применения в качестве связующего для красок и лаков. Для этой цели должны быть синтезированы простые и сложные эфиры гидрофобизиро-ванного крахмала, диспергируемые в холодной воде с высокой концентрацией (> 30 % СВ) и вязкостью от 100 до 1000 МПа-с. Кроме того, они должны образовывать пленку с адгезией к различным видам поверхностей. В качестве исходного продукта для реакций этерификации и переэтерификации использовался картофельный крахмал. В короткоце-почечные эфиры (С2 - С4) были этери-фицированы ангидридами карбоно-вых кислот и гексаноатами крахмала (С6) эритрифицированным виниловым эфиром карбоновой кислоты.
Исследования показали, что синтезированные эфиры крахмала обладали лучшими способностями образовывать пленки по сравнению с на-тивными эфирами крахмала. Авторы работы предполагают, что разработанные ими эфиры крахмала смогут в будущем служить альтернативой полимерам из нефти в качестве связующего для красок и лаков.
Marco Ulbric (научный сотрудник кафедры пищевых процессов Берлинского технического университета, Германия) в презентации «Влияние разбавленной кислоты на изменения молекулярной структуры и функциональные свойства кукурузного крахмала» рассказал, что разбавленные соляной кислотой концентрацией (0,09 M-0,72) M кукурузные крахмалы подвергались гидролизу при продолжительности 4 и 24 ч. Исследовались параметры модификации, молекулярная структура крахмала и его функциональные свойства. С помощью многоуглового детектора рассеянного света SEC-MALS установлено
изменение структуры амилопектина после 4 ч гидролиза. Амилоза дегра-дировалась с увеличением продолжительности гидролиза. В результате экспериментальных данных доказана роль амилозы в процессе клейстери-зации крахмала и отвердения геля, образованного в процессе обработки крахмала слабым раствором кислоты.
Найдена корреляция между процессом модификации, молекулярной структурой крахмала и получающимися функциональными свойствами [2].
Michael A. Radeloff, (специалист в области химии углеводов в Гамбургском университете, Германия) в своем докладе «Крахмалы, модифицированные физическими методами» утверждает, что свойства нативных крахмалов, полученных из кукурузы, пшеницы, картофеля, кассавы, восковидных и высокоами-лозных сортов кукурузы, картофеля, гороха и риса отличаются степенью набухания, гелеобразования и др. свойствами, которые зависят от размера гранул крахмала, массовой доли фосфатов и липидов. Разнообразие нативных крахмалов может быть расширено путем физической модификации. Такими видами модификации являются обработка крахмала на вальцовых и распылительных сушилках, в экструдере и при получении агломератов при прессовании. Такие способы модификации крахмалов позволяют использовать их, как и нативные крахмалы, в продукции, созданной по принципу «clean label» («чистая этикетка»), т. е. в продукции, которая содержит только натуральные ингредиенты, в ней нет красителей, искусственных добавок и консервантов [3].
Vitaly Kocherbitov (доцент в университете Мальме (Швеция) в презентации «Понимание клейстеризации крахмала: подход фазовой диаграммы» рассказал, что исследование влияния температуры на изменение гидратации системы «крахмал - вода» проводили, используя комбинацию оптической микроскопии, синхротрон-ного малоуглового рентгеновского рассеяния (SAXS), сорбционной калориметрии и DSC (метод дифференциальной сканирующей калориметрии). Впервые были установлены термодинамические фазовые диаграммы для трех систем «крахмал - вода» для нативного картофельного крахмала, кислотно-гидролизованного и «сшитого» крахмала.
Путем построения фазовой диаграммы для системы картофельного нативного «крахмал - вода» установлено, что процесс клейстеризации крахмала может быть объяснен по аналогии с эвтектическим пре-
вращением. Правило фаз объясняет, почему температура перехода гелеобразования не зависит от количества воды. Установлено, что малоугловое рентгеновское рассеяние (SAXS) может быть использовано для анализа фрактальной размерности поверхности частиц крахмала и характеризовать свойства интерфейса системы «крахмал - вода» [4, 5, 6].
Jeroen J. G. van Soest (Руководитель подразделения углеводов Center CCC of Eurofins Food, Херенвен, Нидерланды) в докладе «Пищевые волокна на основе крахмала, их аналитические характеристики и воздействие на здоровье» утверждает, что пищевые волокна являются важными компонентами пищевых продуктов. К пищевым волокнам на основе крахмала относятся резистентные крахмалы (RS1, RS2, RS3 и RS4), высокоамилоз-ные крахмалы и мальтодекстрины. Высокоамилозный кукурузный крахмал и другие крахмалы, как например гороховый, содержат значительное количество резистентного крахмала. Резистентные мальтодекстрины получают путем термической обработки кислотой кукурузного крахмала и последующего ферментативного (амилазой) воздействия или только в результате ферментативного гидролиза крахмала. Средняя молекулярная масса устойчивых мальтодекстринов является 2000 дальтон и состоит из полимеров глюкозы, содержащих а-(1-4) и а-(1-6) глюкозидные связи, а также 1-2 и 1-3 связи. Резистентные декстрины потенциально могут быть классифицированы и как функциональные волокна, в том числе и известные бренды, как например Fibersol и Nutriose.
Однако, в 2011 г. Европейское агентство по безопасности продуктов питания EFSA (European Food Safety Authority) не подтвердило следственной связи между потреблением резистентных мальтодекстринов, снижением постпрандиальной гликемии, поддержанием нормального уровня холестерина LDL (Low density lipoproteins) в крови, т. е. липопро-теидов низкой плотности (ЛПНП, или бета-липопротеиды) и содержанием нормального уровня в крови триглицеридов натощак.
Существуют специализированные аналитические методы для определения резистентного крахмала (например, AOAC 2002.02) и резистентных мальтодекстринов (например, AOAC 2001.03), а также протоколы международных организаций по стандартизации AOAC количественного определения крахмалов и мальто-декстринов как пищевых волокон (AOAC 2009.01 и 2011.25).
Stylianos N. Raphaelides (профессор кафедры пищевых технологий Alexander Technological Educational Institute (ATEI, Салоники, Греция) в презентации «Разработанный процесс непрерывного производства комплексов с включениями крахмала в промышленном масштабе» сообщает, что основным этапом процесса производства комплексов с включениями крахмала является клейстери-зация нативного крахмала на вальцовой сушилке с последующей экс-трузионной обработкой крахмала с добавлением жирных кислот в водном растворе мыла при 80 °С и продолжительности экструзии 30-40 с.
Комплексы были сформированы в двухшнековом экструдере при 80 °С или 100 °С и вращении шнека со скоростью 80,100, 145 и 204 об /мин.
Физико-химические характеристики экструдатов были исследованы с помощью рентгеновской дифракции (XRD). Результаты исследований образцов экструдатов, изготовленных при различных условиях обработки, показали, что амилозные комплексы с включениями жирных кислот во всех случаях были сформированы и пригодны для использования. Этот процесс идеально подходит для создания оболочки с целью эффективной защиты чувствительных и нестабильных биологически активных соединений, для защиты нутрицев-тиков от неблагоприятных условий окружающей среды, а также для препаратов с контролируемым высвобождением в желудочно-кишечном тракте человека.
Аналогичный процесс был применен для образования термопластичного крахмала, пригодного в качестве сырья для производства полностью биоразлагаемых материалов. В этом случае, помимо предварительно клейстеризованного крахмала и жирных кислот, добавляли глицерин. Условия переработки: нагревание при 80 °С или 100 °С во всех нагревательных секциях экструдера. В ходе эксперимента изменяли скорость вращения шнека: 80, 115, 145 и 210 об /мин. Изучение физико-химических свойств экструдатов показало, что добавление жирных кислот влияет на функциональность комплексов крахмала с глицерином.
Структурные исследования, проведенные с использованием анализа дифракции рентгеновских лучей, показали, что комбинированное действие жирных кислот и глицерина в дополнение к клейстеризованному кукурузному крахмалу в процессе экструзионной варки вызывают значительные изменения в структур-
ных характеристиках экструдатов, что также влияют и на их механические свойства. Оказалось, что молекулы глицерина более равномерно распределены в крахмале, который не содержит добавленных липидов, в то время как в случае добавления липидов изменялась структурная организация системы. Такие изменения могут привести к созданию продуктов с индивидуальными функциональными свойствами, подходящими для использования в качестве био-разлагаемых материалов, например, в упаковках.
4. Структура крахмала
В презентации Paul Nommensen (информационный центр компании Avebe, Фоксхолл, Нидерланды) «Обзор по реологии порошков» отмечается, что, в отличие от реологии жидкостей, реологии порошков мало изучены. В качестве оценки сыпучести порошков был избран Карр-индекс (коэффициент прес-суемости порошка). Для кукурузного крахмала при ручном заполнении емкости Карр-индекс равнялся 33%, при вибрационном заполнении -42%, для картофельного крахмала при ручном заполнении - 21%, при вибрационном - 36%. Оба вида крахмала обладают плохой текучестью, что тормозит скорость заполнения емкостей и вызывает неравномерность заполнения. Существенное влияние на процесс сыпучести крахмала оказывает размер частиц и ботаническое происхождение крахмала.
Evzen Sarka (доцент химико-технологического университета (UCT), заведующий лабораторией крахмала на кафедре углеводов и злаков) в обзоре «Крахмал из восковидной кукурузы - новые направления в исследовании» сообщает, что на усвояемость крахмала, полученного из восковидной кукурузы, влияют такие факторы, как размер крахмального зерна, пористость крахмальной гранулы, длина цепочки амилопектина и степень кристалличности гранул крахмала. Кристаллизация традиционных крахмалов в резистентный крахмал (RS3) представляется как результат повторного объединения цепочек амилозы в виде двойных спиралей, составляющих частично кристаллическую систему, которая сопротивляется диффузии и действию гидролитических ферментов.
Термическую сухую и влажную обработку часто используют для изменения физико-химических свойств и усвояемости крахмала. Так, при влажной термической об-
работке (влажности крахмала из вос-ковидной кукурузы 25%, температуре 100 °С и продолжительности обработки 16 ч массовая доля резистентного крахмала увеличилась с 27 до 40,3% [8, 9].
Соотношение амилозы и амило-пектина влияет на свойства крахмала и его применение. В последнее время возрастает интерес к переработке различного сельскохозяйственного сырья (восковидной кукурузы, риса, пшеницы, картофеля и ячменя) для производства крахмала с высоким содержанием амилопектина. Модификация этих крахмалов позволяет найти им применение в качестве наполнителей в полимерных композитах, носителей для лекарственных препаратов, стабилизаторов водно-масленых эмульсий.
5. Применение
Penelope A. Patton (научный сотрудник в области инноваций и коммерческого развития в компании Tate & Lyle, Хоффман-Эстейтс, США) в докладе «Оптимизация реологических свойств крахмала в пищевых продуктах при использовании текстурных карт» отметила, что не изучены реологические и текстурные свойства продуктов, в которых крахмал используется как загуститель, в зависимости от степени набухания и концентрации. Благодаря разработанной модели, можно предсказывать такие структурные свойства, как когезион-ная способность, способность к прилипанию, обеспечение формы, сцепление, скольжение, изменчивость восприятия на вкус в зависимости от объема набухания и концентрации крахмала. Установлено, что даже небольшие изменения в концентрации крахмала или технологических условий могут привести к неожиданным существенным изменениям в текстуре продукта.
Текстурные карты применимы как для простой подливы, так и для супов, йогуртов, пудингов и салатных приправ. Использование этих карт позволяет производителю крахмала разрабатывать ингредиенты на основе крахмала с требуемыми свойствами, а разработчику рецептур - грамотно применять крахмал и жестко контролировать качество продукции.
Judith K. Whaley (вице-президент по разработке новой продукции в компании Tate & Lyle, Хоффман-Эстейтс, США) в сообщении «Разработка крахмала для использования в многофазных пищевых продуктах» продолжила тему свей коллеги. Интеллектуальная разработка ингредиентов на основе крахмала и эффек-
тивность такой разработки являются проблемой для ученых, работающих в этой области. На основе изучения структурных особенностей широко используемых крахмалов была необходимость обосновать эти структурные особенности с такими физическими свойствами, как набухаемость, реология, свойства межфазной поверхности и связь между этими свойствами. Параллельно с этим изучаются основные моменты, которые имеют решающее значение для понимания этих показателей в многофазных продуктах питания с целью предсказать влияние крахмала для каждой фазы. На основании изучения основных структурных и функциональных свойств разрабатываются карты для прогнозирования характеристик многофазных продуктов питания, в том числе йогурта, заправок для салатов и картофельных чипсов.
Denbigh R. J. Lloyd (специалист по подготовке кадров, консультированию и реализации стратегии в области маркетинга, брендинга и развития бизнеса в крупных международных компаниях; работает в тесном сотрудничестве с Университетом Харпер Адамса (Harper Adams University) и Департаментом науки о пище и пищевой сельскохозяйственной продукции в Великобритании (Department of Food Science and Agri-Food Supply Chain Management in the UK, Лондон, Англия). В обзоре «Развитие пищевых ингредиентов в будущем: каковы последствия для производства крахмала?» предположил, что индустрия пищевых ингредиентов в 21 веке продолжает сталкиваться с новой динамикой, начиная от все более изощренных запросов потребителя, различных медицинских проблем, усиления конкуренции на рынке, ценовой чувствительности, консолидации отрасли, наличия сырья и спроса на мировом рынке. Чтобы выжить и выстоять в этой среде, необходимо переориентировать свои бизнес-модели и выходить на рынки с новыми продуктами и новыми услугами.
Спрос на все более сложные потребительские товары в сочетании с изменением нормативных требований к сырью и гибкости реагирования будет являться ключевым инструментом к созданию новых ингредиентов. Сегодняшние клиенты требуют сертификаты качества и нормативные показатели не только конечного продукта, но и на сырьё и материалы, на обработку товара, на упаковку, а также выдвигают требования по складированию и связанную с этими требованиями разработанную и утвержденную документацию.
В результате единой сельскохозяйственной политики ЕС введен запрет на импорт кукурузы из США. При переработке зерна на пищевой крахмал в ЕС допускается маркировка ГМО.
Переработка пшеницы в ЕС стала альтернативой переработки кукурузы, чему способствовала высокая ценность белков клейковины, которая сегодня является незаменимым ингредиентом для выпечки хлеба. Пшеничный крахмал и экструдиро-ванный крахмал пшеницы используются в пищевой промышленности в различных продуктах в форме смесей и премиксов.
В последние десятилетия в индустрии крахмала значительно увеличен ассортимент продукции за счет новых областей применения, как например подсластитель изомальтоза и глюкозо-фруктозные сиропы.
Линейка модифицированных крахмалов дополняется все более сложными физически и /или химически модифицированными крахмалами. Разработаны сиропы, отвечающие высшим стандартам качества для рынка кондитерских изделий и мороженого. На основе углеводов крахмала произошел доступ к огромному рынку диетической и здоровой пищи, пример тому - резистентные крахмалы.
Высокая чистота специальных продуктов, как кристаллическая декстроза, сорбит порошок, кристаллический манит или эритритол, обеспечила возможность использования их в БА-Дах и в качестве фармацевтических ингредиентов. Все более высокие требования к качеству продукции требуют создания новых стандартов для её производства, например, к распылительной сушке крахмалов для детского питания или кристаллизации декстрозы для инъекций.
Существует тенденция слияния и поглощения между производителями крахмала и сахара.
Natalie Russ (Институт исследования полимеров имени Макса Планка (Max Planck Institute for Polymer Research in Mainz - Майнц, Германия) сделала сообщение на тему: «Новые перспективы получения физическими методами растворимого в холодной воде модифицированного крахмала». В докладе приведены два способа получения модифицированного крахмала из крахмала тапиоки и исследованы механические характеристики его водного клейстера. Полностью растворимый крахмал из тапиоки получают распылительной сушкой предварительно клейстеризо-ванного крахмала. Повторно гидра-тируемый белый порошок образует вязкую массу с потерей эластичности.
При нагревании нативного крахмала тапиоки, наоборот, создаются вязкие, упругие пасты.
В результате исследований установлено ослабление амилозы в условиях высокой температуры в процессе сушки на распылительной сушилке. Добавление водорастворимых гидроколлоидов стабилизирует ухудшающуюся структуру геля. Таким образом, частичная замена крахмала гидроколлоидами изменяет механические свойства геля. В композиции, полученной при распылительной сушке тапиокового крахмала и гидроколлоидов доминируют функциональные свойства последних. Поэтому предложено создавать сухие смеси на основе растворимого в холодной воде тапиокового крахмала с ксантановой камедью, каррагинаном и гуаровой камедью без термической обработки. В зависимости от применения этих смесей механические свойства и текстура могут быть контролируемыми при выборе гидроколлоида. Молекулы амилоза и каррагинана термодинамически совместимы. Фазовое разделение, возникающее в водной смеси амилозы и ксантановой камеди, может объясняться термодинамической несовместимостью между этими молекулами. В исследованих использована лазерная сканирующая конфокальная микроскопия (ЛСКМ) с применением окраски гидроколлоидов специфическими флуорестентны-ми красителями [11].
6. Подсластители
Mads Weibye (компания Novozy-mes, отдел по переработке зерна, Копенгаген, Дания) в сообщении «Наилучшая смесь глюкоамилазы -компания Novozymes предлагает новый ассортимент продукции Extenda» сообщил, что с 2014 г. компания Novozymes стала предлагать для промышленного производства новый препарат альфа-амилазы LpHera®, 2015 г., новый препарат бета-амилазы Secura®. С 2016 г. в ассортименте ферментативных препаратов компании появилась новая линейка альфа-амилазы Extenda®.
Одно из ограничений максимума ДХ (количества фактически имеющейся глюкозы в пересчете на сухое вещество) при ферментативном производстве глюкозы - образование изо-мальтозы, которая образуется из D-глюкозы в результате реакции конденсации. Новый ферментный препарат позволяет сократить количество изо-мальтозы и увеличить концентрацию сухих веществ в процессе осахаривания.
Tom Kleinhout (компания DuPont, Лейден, Голландия) в презентации
«Моделирование производства специального сиропа» рассказал, что крахмальные сиропы можно разделить на 3 основные группы: глюкозные, мальтозные и специальные. Для последней группы нет конкретной композиции из сахаров, так как это целый комплекс сахаристых ингредиентов. Многие из специальных сиропов получены неферментативным способом или путем смешивания сиропов с стандартными характеристиками. Можно ли получать специальные сиропы с помощью ферментативного осахаривания? Решение представлялось в виде кубика Рубика, т. е. с множеством комбинаций ферментов и условий технологического процесса. В компании DuPont пошли на создание большой модели данных процесса осахаривания, включающей различные ферменты и условия обработки из 12362 вариантов. Переменными величинами являлись: декстрозный эквивалент в пределах от 13 до 30; сухие вещества 30-40%; температура 58... 65 °С; рН 4,5-5,5; продолжительность реакции 0-48 ч; ферментные препараты (глюкоамилаза, бета амилаза, грибная альфа-амилаза, пуллуланаза). Полученная модель не является идеальной, однако она представляется бесценным инструментом для выявления определенной группы ферментов и технологических режимов для получения соответствующего сиропа.
Yong-Cheng Shi (профессор на кафедре науке о зерне и его переработке в Университете штата Канзас (KSU), Канзас, США) в сообщении «Структура крахмала из восковидной кукурузы и его ретроградация при гидролизе солодовой альфа-амилазой» рассказал, что целью исследований являлось определение степени гидролиза (DH) и изменение структуры крахмала при воздействии на него солодовой альфа-амилазой, широко используемой в производстве хлебобулочных изделий. В качестве объекта исследований выбраны крахмалы из восковидной кукурузы и пшеницы.
Исследования по определению сахаров и молекулярной массы остаточной структуры крахмала проводили с помощью анионообменной хроматографии и метода вытесни-тельной хроматографии. При использовании метода дифференциальной сканирующей калориметрии установлено полное ингибирование процесса ретроградации при степени гидролиза крахмала >20 % (DH).
Эти результаты указывают на то, что солодовая амилаза играет огромную роль в ингибировании черстве-ния хлебобулочных изделий даже
при ограниченном гидролизе крахмала [12].
7. Технология
Maurice Essers (научный сотрудник в группе по изучению углеводов в независимой исследовательской организации TNO, Зейст, Нидерланды) в презентации «Бинарные системы для получения новых вариантов резистентного крахмала» сообщил, что полимеризация моносахаров в условиях кислой среды под вакуумом - широко известный процесс по многочисленным публикациям и патентам. Полимеризация происходит в результате реакции конденсации и происходит в фазе выше плавления глюкозы (150 °С), а катализатором является кислота. Это приводит к образованию новых гликозидных связей между двумя гидроксильны-ми группами и отделению молекулы воды. Получаемая в результате реакции поликонденсации полидекстроза имеет в структуре около 30% разветвлений. В молекулярном отношении преобладают связи (а 1^6). Полидекстроза представляет собой водорастворимый полисахарид, который может применяться в качестве диетических волокон.
Реакция взаимодействия клейсте-ризованного крахмала с глюкозой практически не изучена. Установлено, что клейстеризованный крахмал может раствориться в расплаве глюкозы в количестве до 50%. В результате участия крахмала в процессе поликонденсации можно получать модифицированный крахмал устойчивый или, наоборот, ослабленный к процессу пищеварения. На основании этой технологии можно получать новые виды продуктов в виде крахмалов-пробиотиков.
Willi Witt (руководитель отдела технологических процессов крахмала и белка в компании Чемсан (Cemsan), Сакарья, Турция) в докладе «Проблема побочных продуктов и их преобразование при производстве крахмала» обращает внимание на то, что крахмал, полученный из кукурузы, пшеницы, картофеля, тапиоки и другого растительного сырья, является одним из важнейших возобновляемых ресурсов. Мировое производство крахмала достигает 80 млн т, и более 10 млн т производится в ЕС. Вторичные продукты, образующиеся при производстве крахмала составляют приблизительно 75 % от массы произведенного крахмала, т. е. в ЕС составляют около 6,6 млн т в пересчете на СВ. Реализация побочных продуктов играет важную роль в рентабельности предприятия. При производстве пшеничного крах-
мала вторичные продукты составляют почти 100% от массы крахмала, т. е. в ЕС это около 3,5 млн т, причем 20% от этого количества приходится на пшеничную клейковину. В последние 20 лет в ЕС созданы крупные заводы по переработке пшеничного крахмала, на которых Б-крахмал перерабатывается в биоэтанол, а барда концентрируется и высушивается для получения богатого белком кормового продукта. Другим вариантом использования барды является возможность переработки ее в метан.
Существует технология переработки Б-крахмала в лизин, но из-за большого количества некрахмальных компонентов представляется возможным выпускать аминокислоты только для производства комбикормов.
Усовершенствованная технология комплексной переработки пшеничного зерна позволяет получать не только А-крахмал и клейковину, но и перерабатывать С-крахмал вместе с отрубями в глюкозу, целлюлозу, гемицеллюлозу, лигнин и метан. На первом этапе крахмал (содержащейся в С-крахмале и отрубях) преобразуется в глюкозу. Отделенная некрахмальная масса при помощи низкотемпературного процесса перерабатывается в лигнин, целлюлозу и арабиноксилан. Такая технология переработки вторичных продуктов позволяет значительно повысить рентабельность крахмального завода за счет выработки из них продукции с высокой добавочной стоимостью.
Выводы:
1. В производство крахмала и крах-малопродуктов за период 2013-2014 гг. в ЕС вложены большие инвестиции: в отрасль 380 млн евро, в исследования и развитие 140 млн евро.
2. Предположительно с 2017 г. в потреблении сахаристых продуктов увеличится доля продукции, полученной из крахмала и некалорийных заменителей сахара, а также будет возрастать тенденция слияния производителей сахара, крахмала и крах-малопродуктов.
3. В мировом производстве крахмала и крахмалопродуктов 45% вырабатывается из кукурузного зерна, 25% из кассавы (тапиоки). Модифицированные крахмалы составляют около 20% от всего объема выработанного крахмала и производятся в основном из кукурузного крахмала и крахмала, полученного из кассавы. Лидерами производства крахмала из картофеля являются страны ЕС, которые поставляют 340 тыс. т на экспорт.
4. Проведены исследования биосинтеза крахмала в дрожжевых клетках Б. Сегеу|Б1ае.
5. Синтезированные эфиры крахмала обладали лучшими способностями образовывать пленки по сравнению с эфирами крахмала.
6. Доказана роль амилозы в процессе клейстеризации крахмала и отвердевания геля, образованного в процессе обработки крахмала слабым раствором кислоты.
7. Способы модификации крахмалов физическими методами позволяют использовать их, как и нативные крахмалы, в продукции, созданной по принципу «clean label» («чистая этикетка»), т. е. в продукции, которая содержит только натуральные ингредиенты.
8. Получены термодинамические фазовые диаграммы для трех систем: «крахмал - вода» для нативного картофельного крахмала, кислотно-гидролизованного крахмала и «сшитого» крахмала.
9. Существуют специализированные аналитические методы для определения резистентного крахмала (например, AOAC 2002.02) и резистентных мальтодекстринов (например, AOAC 2001.03), а также протоколы международных организаций по стандартизации AOAC для количественного определения крахмалов и мальтодекстринов, как пищевых волокон (AOAC 2009.01 и 2011.25).
10. Установлено, что молекулы глицерина более равномерно распределены в крахмале, который не содержит добавленных липидов, в то время как в случае добавления липидов изменяется структурная организация модифицированного крахмала. Такие изменения могут привести к созданию продуктов с индивидуальными функциональными свойствами, подходящими для использования в качестве биоразлагаемых материалов, например, в упаковках.
11. Существенное влияние на процесс сыпучести крахмала оказывает размер частиц и ботаническое происхождение крахмала.
12. Возрастает интерес к переработке различного сельскохозяйственного сырья (восковидной кукурузы, риса, пшеницы, картофеля и ячменя) для производства крахмала с высоким содержанием амилопектина. Модификация этих крахмалов позволяет найти им применение в качестве наполнителей в полимерных композитах, носителей для лекарственных препаратов, стабилизаторов водно-масленых эмульсий.
13. Использование этих карт позволяет производителю крахмала разрабатывать ингредиенты на основе крахмала с требуемыми свойствами, а разработчику рецептур - грамотно
применять крахмал и жестко контролировать качество продукции.
14. В последние десятилетия в индустрии крахмала значительно увеличен ассортимент продукции за счет новых областей применения, как например подсластитель изоглюкоза. Все более требовательные условия качества продукции требуют создания новых стандартов для производства продукции, например, для распылительной сушки крахмалов для детского питания или кристаллизации декстрозы для инъекций.
15. Предложено создавать сухие смеси на основе растворимого в холодной воде тапиокового крахмала с ксантановой камедью, каррагина-ном и гуаровой камедью без термической обработки.
16. Компания Novozymes предлагает для промышленного производства новый препарат альфа-амилазы Extenda®.
17. В компании DuPont провели исследование процесса осахаривания, включающего применение различных ферментов и условий обработки. Полученная модель представляется бесценным инструментом для выявления определенной группы ферментов и технологических режимов с целью получения сиропа, соответствующего спецификации.
18. Экспериментально доказано, что солодовая амилаза играет огромную роль в ингибировании процесса черствения хлебобулочных изделий даже при ограниченном гидролизе крахмала.
19. Установлено, что клейстере-зованный крахмал может быть растворен в расплаве глюкозы до 50%. В результате участия крахмала в процессе поликонденсации можно получать модифицированный крахмал устойчивый или, наборот, ослабленный к процессу пищеварения.
20. Усовершенствованная технология комплексной переработки пшеничного зерна позволяет получать не только А-крахмал и клейковину, но и перерабатывать С-крахмал вместе с отрубями в глюкозу, целлюлозу, гемицеллюлозу, лигнин и метан.
ЛИТЕРАТУРА
1. Seung, David. PROTEIN TARGETING TO STARCH is required for localising GRANULE-BOUND STARCH SYNTHASE to starch granules and for normal amylose synthesis in Arabidopsis/ David Seung, Sebastian Soyk, Mario Coiro, Benjamin A. Maier, Simona Eicke, Samuel C. Zeeman // PLoS Biology. - 2015. - V. 13 (2).
2. Ulbrich, Marco. Acid-thinned corn starch - impact of modification parameters on molecular characteristics
and functional properties/Marco Ulbrich, Tatjana Beresnewa-Seekamp, Wendy Walther, Eckhard Flote// Starch. - 2016. -V. 68 - Iss. 5-6. - P. 399-409.
3. Radeloff, Michael A. «Ckean label» - Starches and their functional diversity / Michael A. Radeloff and Roland H. F. Beck // Sugar Industry. -2016 - V. 141 (66). - P. 209-215.
4. Carlstedt, J. Hydration and the phase diagram of acid hydrolyzed potato starchn/J. Carlstedt, J. Wojtasz, P. Fyhr, V. Kocherbitov // Carbohydrate Polymers. -
2014. - V. 112. - P. 569-577.
5. Carlstedt, J. Understanding Starch Gelatinization: the Phase Diagram Approach/J. Carlstedt, J. Wojtasz, P. Fyhr, V. Kocherbitov // Carbohydrate Polymers. -
2015. - V. 129. - P. 62-69.
6. Wojtasz, J. Hydration and swelling of amorphous cross-linked starch microspheres/ J. Wojtasz, J. Carlstedt, P. Fyhr, V. Kocherbitov // Carbohydrate Polymers. - 2016. - V. 135. - P. 225-233.
7. Stylianos, N. Raphaelides. A process designed for the continuous production of starch inclusion complexes on an industrial scale/Stylianos N. Raphaelides, Georgia Dimitreli, Stylianos Exarhopoulos, Eleni Ilia, Paraskevi Koutsomihali // Food and Bioprodussing Processing. - 2015. -V. 96. - P. 245-255.
8. Wittawat, Jiranuntakul. Microstructural and physicochemical properties of heat-moisture treated waxy and normal starches/Wittawat Jiranuntakul, Chureerat Puttanlek, Vilai Rungsardthong, Santhanee Puncha-arnon, Dudsadee Uttapap // Journal of Food Engineering. - 2011. -V. 104. - P. 246-258.
9. Wittawat, Jiranuntakul. Nano-structure of heat-moisture treated waxy and normal starches/ Wittawat Jiranuntakul, Shigeru Sugiyama, Kazumi Tsukamoto, Chureerat Puttanlek, Vilai Rungsardthong, Santhanee Puncha-arnon, Dudsadee Uttapap // Carbohydrate Poly-mers. - 2013. - V. 97. - Iss. 1. -P. 1-8.
10. Denbigh, R. J. Lloyd. Developing the essential food ingredients for the future/ Denbigh R. J. Lloyd and Michael A. Radelof // Sugar Industry. -2015. - V. 140. - № 4. - P. 204-208.
11. Russ, Natalie. Pre-gelatinized tapioca starch and its mixtures with xanthan gum and iota-carrageenan/Natalie Russ, Birgitta I. Zielbauer, Marta Ghebremedhin, and Thomas A. Vilgis // Food Hydrocollo-ids. - 2016. - V. 56. - P. 180-188.
12. Navneet, Grewal. Structure of Waxy Maize Starch Hydrolyzed by Maltogenic a-Amylase in Relation to Its Retrogradation/ Navneet Grewal, Jon Faubion, Guohua Feng, Rhett C. Kaufman, Jeff D. Wilson and Yong-Cheng Shi // Journal Agrucultural and Food Chemist -ry. - 2015. - V. 53 (16). - P. 41964201.
Новые исследования в области химии, технологии и маркетинга крахмала и крахмалопродуктов О международной конференции «Химия и технология крахмала»
г. Детмольд, Германия Ключевые слова
крахмал; модифицированный; резистентный; сиропы; ферментные препараты
Реферат
В производстве крахмала и крахмалопродуктов годовой оборот в странах ЕС составляет 8,3 млд евро. Самым большим потребителем крахмала, используемого на непищевые цели, является производство бумаги и гофрированного картона. В рамках международной конференции «Химия и технология крахмала» в г. Детмольде, Германия, освещены вопросы и исследования в области химии, технологии и маркетинга крахмала и крахмалопро-дуктов. С результатами научных исследований выступили представители из Англии, Австралии, Германии, Венгрии, Голландии, Греции, Израиля, Египта, России, Литвы, Швеции, Индии, Турции, Китая, Чешской республики, Франции и Уганды. Доклады конференции были систематизированы по семи разделам: маркетинговые исследования, биосинтез, модифицированные крахмалы, структура крахмала, использование, подсластители и технология. По материалам докладов Германских ученых установлено, что синтезированные эфиры крахмала обладали лучшими способностями образовывать пленки по сравнению с нативными эфирами крахмала. Учеными из Швейцарии были установлены термодинамические фазовые диаграммы для систем «крахмал-вода» для нативного картофельного крахмала, кислотно-гидролизованного и «сшитого» крахмала. Сотрудниками химико-технологического университета (UCT) отмечено, что на усвояемость крахмала влияют такие факторы как размер крахмального зерна, пористость крахмальной гранулы, длина цепочки амилопектина и степень кристалличности гранул крахмала. Подробно освещены вопросы областям применения крахмала в пищевых продуктах. В последние десятилетия в индустрии крахмала значительно увеличен ассортимент продукции за счет новых областей применения. Особое внимание было уделено использованию крахмалопродуктов в производстве сиропов (с использованием ферментных препаратов). Предложено создавать сухие смеси на основе растворимого в холодной воде тапиокового крахмала с ксантановой камедью, каррагинаном и гуаровой камедью без термической обработки. Совместно с конференцией была проведена выставка оборудования и вспомогательных материалов для производства крахмала и крахмалопродуктов. В статье приводятся краткие содержания докладов и ссылки на их пуюликации.
Авторы
Андреев Николай Руфеевич, д-р техн. наук, член-корр. РАН, Лукин Дмитрий Николаевич, канд. экон. наук, Гольдштейн Владимир Георгиевич, канд. техн. наук, Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов, 140051, Московская область, п. Красково, ул. Некрасова, д. 11, [email protected]
New Researches in the Field of Chemistry, Technology and
Marketing of Starch and Starch Products
About International Conference «Chemistry and Starch
Technology»
Detmold, Germany
Key words
starch; resistant; modified; syrups; enzyme preparations Abstracts
In the production of starch and starch products turnover in the EU is 8.3 milliard euros. The largest consumer of starch used on nonfood purposes, is the production of paper and corrugated cardboard. Within the framework of the International Conference «Chemistry and Technology of Starch» in Detmold, Germany, highlights the issues and research in the field of chemistry, technology and marketing of starch and starch products. The results of research were made by representatives from England, Australia, Germany, Hungary, the Netherlands, Greece, Israel, Egypt, Russia, Lithuania, Sweden, India, Turkey, China, Czech Republic, France and Uganda. Reports of the conference were systematized in seven sections: Market Research, biosynthesis, modified starches, starch structure, the use of sweeteners and technology. Based on materials of reports of German scientists found that synthesized starch ethers are better able to form a film in comparison with native starch ethers. Scientists from Switzerland were established thermodynamic phase diagrams for systems of «starch water» for native potato starch, acid-hydrolyzed and «cross-linked» starch. Employees of the University of Chemical Technology (UCT) noted that the starch digestibility is influenced by such factors as the size of the starch grains, the porosity of the starch granules, the length of amylopectin chains and the degree of crystallinity of starch granules. More questions covered areas of application of starch in food. In recent decades, the starch industry significantly increased the range of products through new applications. Particular attention was paid to the use of starch in the production of syrups (using enzyme preparations). Proposed create dry mixture based on a cold water soluble tapioca starch xanthan gum, carrageenan and guar gum without heat treatment. In conjunction with the conference was an exhibition of equipment and auxiliary materials for the production of starch and starch products. The article summarizes the content of the reports, and links to their publishings.
Authors
Andreev Nikolay Rufeevich, Doctor of Technical Science, Corresponding Member of RAS,
Lukin Dmitry Nikolaevich, Candidate of Economical Science, Goldshtein Vladimir Georgievich, Candidate of Technical Science, All-Russian Research Institute of Starch Products, 11, Nekrasova St., Kraskovo, Moscow Region, 140051, [email protected]
♦
♦
SÄ Ш€тфШт(
На Кубани планируют увеличить производство сельхозтехники
В Краснодарском крае в 2017 г. планируют выпустить около 3,5 тыс. единиц сельскохозяйственной техники.
Об этом рассказал исполняющий обязанности руководителя департамента промышленной политики края Иван Куликов на заседании совета по промышленности при губернаторе. По словам Куликова, планируется, что в этом году производство сельхозтехники увеличится на 30 %.
Вице-губернатор Кубани Сергей Алтухов сообщил, что в прошлом году поддержке предприятий по производству сельхозтехники уделялось особое внимание. Всего за 2016 г. в крае произвели более 2,7 тыс. сельскохозяйственных машин. Это больше показателя 2015 г. почти на 70 %, сообщает пресс-служба администрации Краснодарского края.
♦ ♦ ♦
