CC BY
152
Д. Ш. Ягофаров, А. Ш. Закирова, А. В. Канарский,
Ю. Д. Сидоров, М. А. Поливанов
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ЭЛЕКТРОДИАЛИЗА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ АМИЛОЗЫ И АМИЛОПЕКТИНА КАРТОФЕЛЬНОГО КРАХМАЛА
Ключевые слова: метод электродиализа, картофельный крахмал.
Установлена возможность разделения картофельного крахмала на амилозу и амилопектин методом электродиализа. Показана целесообразность использования мембраны типа МФФК-2г с размерами пор 0,25 мкм. Рекомендуется проводить разделение картофельного крахмала на амилозу и амилопектин методом электродиализа при температуре 70 - 75 °С.
Keywords: method of an electrodialysis, potato starch.
Possibility of division of potato starch on amylose and amylopectin is established by an electrodialysis method. The expediency of use of a membrane of type МФФК-2г with the sizes of a time 0,25 microns is shown. It is recommended to spend division of potato starch on amylose and amylopectin an electrodialysis method at temperature 70-75 °С.
Актуальность
В настоящее время наблюдается тенденция более широкого применения составных частей крахмала - амилозы и амилопектина. Амилоза используется для изготовления био-разлагаемых полимеров и лекарственных препаратов пролонгированного действия, амилопектин - как технологическая добавка в кондитерской и масложировой промышленностях. Однако, существуют технологические проблемы разделения этих биополимеров крахмала.
Разделение амилозы и амилопектина основано на различных физико-химических свойствах этих соединений. Наиболее известны методы химического разделения крахмала на амилозу и амилопектин путем осаждения из водных растворов неорганическим (сульфатами) и органическими (спиртами) веществами. Комплексные соединения амилозы и амилопектина с этими веществами отличаются различной растворимостью в водных растворах, и за счет этого проводится разделение на фракции. Недостатком этих методов является длительность процесса, его критичность к температурным факторам и наличие ве-щества-осадителя в амилозе и амилопектине, которое требует дополнительных затрат времени на очистку готового продукта многократным переосаждением [1, 2].
Samec [3] показал принципиальную возможность фракционирования крахмала методом электродиализа с мембранами. Применение этого метода для разделения амилозы и амилопектина не требует химических реагентов, соответственно является менее энергоемким и перспективным для промышленности.
Мембранные методы достаточно широко известны и применяются в различных отраслях промышленности. К их достоинствам относятся возможность регулирования состава и свойств вещества при небольших энергетических затратах.
Основным элементом мембранных установок являются полунепроницаемые мембраны с различным диаметром пор, соизмеримых с молекулами находящихся в растворе веществ. В зависимости от диаметра пор мембраны происходит разделение находящихся в растворе веществ: вещества, имеющие размер молекул меньше диаметра пор, проходят через мембрану, а вещества с большими размерами задерживаются. В результате получаются два раствора с различной концентрацией веществ [4].
Движущей силой процесса, в зависимости от применяемого мембранного метода, могут быть осмотическое давление, гидродинамическое давление и электрическое поле [2, 5]. Электродиализ - один из наиболее эффективных методов разделения и очистки веществ. Под действием постоянного электрического тока заряженные частицы движутся к электроду противоположного знака [4, 6]. На пути движения частиц находится мембрана, диаметр пор которой позволяет пропустить к электроду частицы определённых размеров. Такие свойства мембран как пористость и средний диаметр пор определяют состав растворов по обе стороны мембраны и, в значительной степени, скорость и эффективность процесса разделения. Для разделения крахмала на составляющие методом электродиализа мембраны должны удовлетворять прежде всего нижеследующим требованиям: быть достаточно инертными и не вступать во взаимодействие с компонентами раствора; выдерживать температуру до 100 °С; иметь определенные размер пор и пористость.
Целью данной работы является исследование возможности получения химически чистых амилозы и амилопектина методом электродиализа.
Для достижения данной цели решались следующие задачи:
- подбор соответствующей мембраны для процесса электродиализа;
- подбор соответствующих электрических параметров процесса.
Экспериментальная часть
Для проведения экспериментов была сконструирована и изготовлена электродиализная установка, представляющая из себя емкость из полиметилметакрилата, разделенная на три камеры (рис. 1). Электродиализатор разделен на камеры мембранами, свойства которых указаны в табл. 1.
Таблица 1 - Наименование мембран и их характеристики
МФФК-1г МФФК-2г МФФК-3г МФФК-4г
Пористый пленочный материал на основе фторопласта Ф42Л (сополимер тетрафто-рэтилена и винилден-фторида) армированный неткаными мате-риа-лами (полипропилен,) с размером пор 0,15 мкм Пористый пленочный материал на основе фторопласта Ф42Л (сополимер тетрафто-рэтилена и винилден-фторида) армированный неткаными мате-риа-лами (полипропилен,) с размером пор 0,25 мкм Пористый пленочный материал на основе фторопласта Ф42Л (сополимер тетрафто-рэтилена и винилден-фторида) армированный неткаными мате-риа-лами (полипропилен,) с размером пор 0,45 мкм Пористый пленочный материал на основе фторопласта Ф42Л (сополимер тетрафто-рэтилена и винилден-фторида) армированный неткаными мате-риа-лами (полипропилен,) с размером пор 0,65 мкм
Для поддержания постоянной температуры электродиализатор помещали в термостат. Электроды, катод и анод, укреплялись на торцевых стенках электродных камер. Питание установки осуществлялось через двухполупериодный диодный выпрямитель. Для контроля электрических параметров использовали вольтметр и амперметр, встроенные в цепь питания электродиализатора.
Рис. 1 - Схема электродиализной установки: 1 - лабораторный автотрансформатор; 2 - двух-полупериодный диодный выпрямитель; 3 - вольтметр; 4 - амперметр; 5 - термостат; 6 -электродиализатор; 7 - анод (в электродной камере); 8 - катод (в электродной камере); 9 -мембрана; 10 - плавающая пенопластовая крышка; 11 - перемешивающее устройство
В камеру электродиализа заливался исследуемый раствор крахмала. Готовили 1,5% суспензию картофельного крахмала в дистиллированной воде. Эту суспензию помещали в термостат и нагревали выше температуры клейстеризации при постоянном перемешивании и выдерживали в течение 5 мин. Готовый клейстер помещали в автоклав, где проводили разваривание при температуре 120-130°С; продолжительность разваривания составляло 60 мин. Полноту разваривания контролировали визуально, на микроскопе «Биомед» с увеличением 1000х. Раствор крахмала охлаждали до температуры 60°С и помещали в камеру электродиализа. Для поддержания постоянной температуры раствора крахмала в камере электродиализа поверхность электродиализной камеры сверху закрывалась плавающей пенопластовой крышкой. В электродные камеры вводили 3% раствор ЫаОИ.
Через 15-20 мин после подачи напряжения сквозь прозрачные стенки электродиализатора можно было наблюдать образование геля в растворе у мембраны, расположенной рядом с анодом. Этот гель представляет собой амилопектин, что было подтверждено методом йодной пробы (ами-лопектин, в отличие от амилозы, окрашивается в фиолетовый цвет).
Йодная проба также показала наличие амилозы не только в камере электродиализа, но и в электродных камерах.
Продолжительность процесса электродиализа составляла 7 ч. При этом каждые 30 мин проводили анализ содержания амилозы в электродных камерах и камере электродиализа. Содержание амилозы определялось фотоколориметрическим методом, описанным в работе [7, 8]. Из соотношения общего количества амилозы в исходном крахмальном растворе, которую приняли за 100%, и количества амилозы в осадке рассчитывали эффективность химического разделения. Выход амилозы соответствовал количеству амилозы в высушенном осадке исследуемого образца. Сушку проводили при комнатной температуре до влажности 5%.
Для каждого типа мембран рассчитывали эффективность разделения и выход амилозы. Эффективность процесса разделения кроме электрических параметров в значительной степени определяется мембранами. Мембраны, применяемые для ультрофильтрации растворов, изготовлены на основе композиционных фторопластов и полиэтилена на тканой (полипропиленовой или поли-этилентерефтолатной) основе. Наименование мембран и их характеристики приведены в таблице 1.
В процессе исследований устанавливались необходимые электрические параметры процесса и подбирались соответствующие мембраны.
Результаты и обсуждение
Визуальным наблюдением за процессом электродиализа установлено, что в средней камере электродиализа раствор крахмала разделяется на две фазы - гелеобразная и жидкая. Гелеобразование связано с тем, что амилопектин, имеющий отрицательный заряд (вследствие наличия у амилопектина эфироподобносвязанной фосфорной кислоты) перемещает-
ся к мембране сопряженный с анодом, а также с температурой крахмального раствора, которая в свою очередь зависит от напряжения, приложенного к электродам. Оптимальная температура процесса электродиализа составила 70 - 75 °С. При этих температурах геле-образование минимально и его концентрирование на поверхности мембраны сопряженный с анодом в меньшой степени оказывает отрицательное влияние на разделение картофельного крахмала на амилозу и амилопектин.
Амилоза, вследствие ее электронейтральности под воздействием осмотических сил, проходит через мембраны в обе электродные камеры, а низкомолекулярная фракция ами-лопектина, размеры которой соответствуют размеру пор мембраны, проходит в электродную камеру, сопряженную с анодом. Это обуславливает эффективность разделения крахмала на амилозу и амилопектин, и выход амилозы.
Из результатов, приведенных в таблице 2, можно сделать вывод о том, что наибольшая эффективность разделения и выход амилозы возможны при использовании мембраны МФФК-2г с размерами пор 0,25 мкм. Выход амилозы составил 59 %, эффективность разделения - 22 %.
Таблица 2 - Эффективность разделения и выход амилозы при электродиализе картофельного крахмала
Тип мембраны Эффективность разделения, % Выход амилозы, %
МФФК-1г 22 39
МФФК-2г 22 59
МФФК-3г 13 17
МФФК-4г 1 28
Выводы
Таким образом, проведенные исследования показали, что используя метод электродиализа и мембраны с размером пор 0,25 мкм можно разделять крахмал на амилозу и ами-лопектин. Процесс электродиализа целесообразно проводить при температуре 70 -75 °С.
Литература
1. Karlsson, M. Starch in Processed Potatoes. Influence of tuber structure, thermal treatments and amylose/amylopectin ratio / M. Karlsson. - Lund.: Media-Tryck, 2005. - 55 р.
2. Гребенюк, В.Д. Электродиализ / В. Д. Гребенюк. - Киев: Техшка, 1976. - 160 с.
3. Рихтер, М. Избранные методы исследования крахмала / М. Рихтер [и др.]. - М.: Пищевая промышленность, 1975. - 181 с.
4. Галиханов, М.Ф. Изучение короноэлектретов на основе композиций полистирола а крахмалом / М. Ф. Галиханов [и др.]// Вестник Казан. технол. ун-та. - 2007. - № 6. - С. 59-64.
5. Сотников, В.А. Способ снижения эффективной температуры хемогидротермического разваривания крахмалистого сырья / В. А. Сотников, В.С. Гамаюрова, В.В. Марченко // Вестник Казан. технол. ун-та. -2004. - № 1. - С. 233-238.
6. Пилат, Б.В. Основы электродиализа / Б. В. Пилат. - М.: Авваллон, 2004. - 456 с.
7. Sene, M. Simultaneous spectrophotometric determination of amylose and amylopectin in starch from maize kernel by multi-waverelegth analysis / M. Sene, C. Thevenot, L. Prioul // Fournal of cereal science. - 1997. - №26. - Р. 211-221.
8. ISO 6647 - 1, 2. Rice. Determination of amylase content. - TC 34/SC 4, 2007. - 18 с.
© Д. Ш. Ягофаров - асп. каф. пищевой инженерии малых предприятий КГТУ; А. Ш. Закирова - -асп. той же кафедры; А. В. Канарский - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, [email protected]; Ю. Д. Сидоров - ст. препод. той же кафедры; М. А. Поливанов - канд. техн. наук, проф., зав. каф. пищевой инженерии малых предприятий КГТУ, [email protected].
