CC BY
97
УДК 633.491:664.2
развитие технологии производства картофельного крахмала
Н.Р. АНДРЕЕВ, доктор технических наук, член-корреспондент РАН, научный руководитель (e-mail: vniik@arrisp. ru)
Е.Н. МАЛЕЕВА, зав. сектором
Н.С. ЛУКИНА, зав. сектором
Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов, ул. Некрасова, 11, пос. Красково, Люберецкий р-н, Московская обл., 140051, Российская Федерация
Резюме. Восстановление производства картофельного крахмала в стране требует системного подхода к анализу существующих технологий переработки картофеля во взаимосвязи с его производителями для организации аграрно-пищевой технологии. Ключевые операции, влияющие на степень извлечения крахмала и подлежащие исследованию - измельчение клубней, выделение крахмала из измельчённого картофеля, выделение картофельного сока из суспензии крахмала. Высокая степень измельчения клубней для высвобождения зерен крахмала из клеток (до 95 %) достигается при окружной скорости пильчатого барабана тёрки более 85 м/с. Оценка технологических свойств 10 сортов картофеля с разной крахмалистостью показала, что самым высоким (30 %) содержанием сухих веществ и наименьшей (5 %) концентрацией остальных компонентов (клетчатки, растворимых веществ) отличаются клубни с крахмалистостью 25 %. Установлена зависимость расхода клубней картофеля на производство 1 т товарного крахмала влажностью 20 %: при содержании крахмала в клубнях 25 % расход составляет - 3,7 т, а при 14 % - 6,7 т. Для переработки на крахмал рекомендованы сорта картофеля с крахмалистостью более 18 %: Бронницкий, Никулинский, Надежда, Выток, Здабы-так, Темп. В специализированных хозяйствах по производству товарного картофеля можно рекомендовать использование новой компактной линии переработки клубней на крахмал с минимальной номенклатурой технологического оборудования, которая достигнута благодаря совмещению технологических операций и разработке новых машин и агрегатов. основу линии составляет гидроциклонная установка из трёх блоков, в каждом из которых мультициклоны соединены по перекрёстной схеме, что повышает разделительную способность установки. Благодаря низкой стоимости сырья линию можно эффективно использовать для переработки некондиционного картофеля. Ключевые слова: картофель, крахмалистость, измельчение, крахмал, картофельный сок, мезга, гидроциклонная установка. Для цитирования: Андреев Н.Р., Малеева Е.Н., Лукина Н.С. Развитие технологии картофельного крахмала //Достижения науки и техники АПК. 2016. Т.30. №12. С. 104-106.
Технологическая операция
Картофельный крахмал имеет преимущества перед другими видами по крупности зёрен, реакционной способности, прозрачности клейстеров и повышенной их вязкости, что особенно важно при различных модификациях с заданными потребительскими свойствами [1]. Производство картофельного крахмала в дореформенной России составляло более 70 тыс. т в год, на сегодняшний день оно не превышает 10 тыс. т, а из-за рубежа завозят более 30 тыс. т ежегодно.
Спад отечественного производства картофельного крахмала в основном был обусловлен снятием государственной дотации на промышленную переработку кар-
тофеля, которая составляла 65 % от закупочной цены. Еще одной немаловажной причиной стал разрыв кооперативных связей между производителями картофеля и переработчиками. Поэтому весьма актуальна разработка высокоэффективной ресурсосберегающей технологии и оборудования для переработки картофеля на крахмал, увязанной с селекционерами и производителями картофеля - специализированными сельскохозяйственными организациями (СХО) [2]. Для создания таких аграрно-пищевых технологий необходим системный подход, который включает анализ и выбор перспективных видов сырья для их совершенствования и придания свойств, позволяющих оптимизировать технологические операции по переработке. На сегодняшний день технологический поток переработки картофеля на крахмал представляет собой слабо организованную систему, которую необходимо улучшать путем возможного сокращения числа подсистем, упорядочения связей между ними, модернизации отдельных машин и аппаратов, совершенствования технологических процессов [3].
Цель исследований - системный анализ, выбор перспективных сортов картофеля, входных и выходных параметров технологических операций его переработки на крахмал для комбинирования и сокращения технологического оборудования, адаптированного к условиям работы в СХО.
Условия, материалы и методы. Для оценки качества исходного сырья и эффективности его переработки проведен системный анализ функционирования технологического потока, который сводится к определению уровня целостности (организованности) системы путем экспериментального определения весомости и стабильности её отдельных процессов по входным и выходным параметрам продуктов за некоторый период времени [3]. При значении уровня организованности 9 > 0 совокупность процессов в машинах и аппаратах представляет собой целостную систему, способную развиваться прежде всего путем интенсификации, а при 9 < 0 система суммативна и необходимы качественные преобразования технологического процесса [1].
Индикатором эффективности функционирования технологического потока служит конечный результат - степень извлечения крахмала Кизв. При ранжировании весомости технологических операций, влияющих на величину этого показателя, установлено, что к числу ключевых можно
Таблица 1. Характеристики технологических операций переработки картофеля на крахмал
Выходной параметр
Удаление тяжёлых примесей Мойка клубней Измельчение клубней
Выделение крахмала из измельчённого картофеля Выделение и обезвоживание мезги
Выделение картофельного сока из суспензии крахмала Промывка крахмала
Обезвоживание крахмала Сушка крахмала_
Содержание Загрязненность Коэффициент высвобождения крахмала
Содержание мезги в суспензии крахмала
Содержание крахмала в мезге по сухому веществу (СВ) и влажность мезги
Концентрация выделенного картофельного сока по СВ Плотность суспензии крахмала по СВ
Влажность сырого крахмала Влажность сухого крахмала
Условное обозначение и значение параметров
D = 0 d < 0,1 % Кизм > 90 %
изм
СВ < 0,5 %
СВ < 50 % W < 70 %
СВ > 4 %
СВ > 38 %
W < 35 % W < 20 %
Рис. 1. Зависимость коэффициента измельчения клубней картофеля от окружной скорости пильчатого барабана.
отнести измельчение клубней, выделение крахмала из измельчённого картофеля, выделение картофельного сока из суспензии крахмала. Эти операции были дополнительно исследованы на разных сортах картофеля.
Эффективность измельчения определяли на скоростной картофелетёрке ПТК-4 с пильчатым барабаном, скорость вращения которого варьировали путем изменения частоты переменного тока электродвигателя. При проведении исследований использовали клубни картофеля сорта Лорх.
Для оценки технологических свойств картофеля были отобраны клубни сортов с различной крахмали-стостью (урожай 2014 г.): Жуковский - 11 %, Невский -14, Никулинский - 16, Лорх - 17, Атлант - 19, Брянский - 20, Бронницкий - 21, Ласунок - 22, Надежда - 24, Выток - 25 % [3]. Исследования проводили совместно с учеными ВНИИ картофельного хозяйства им. А.Г. Лорха в лабораторных условиях ВНИИ крахмалопродуктов.
Расход клубней картофеля Рк на 1 т крахмала с товарной влажностью 20 % в зависимости от его содержания Ккр и коэффициента измельчения Кизм клубней определяли по формуле:
Р = СВ/К х К х к,
к к' изв изм кр'
где СВк=0,8 т - сухое вещество 1 т товарного крахмала; Кизм = 0,94 - коэффициент высвобождения крахмальных зерен при измельчении клубней на скоростной картофелетёрке; Кизв = 0,95 - коэффициент, учитывающий потери свободного крахмала с мезгой при промывке измельчённого картофеля.
Для выделения и промывки крахмала использовали набор капроновых сит, содержание высвобожденного и связанного крахмала в мезге определяли методом Эверса.
Оценку качества вырабатываемого картофельного крахмала проводили в соответствие с требованиями ГОСТ Р 53876-2010.
Результаты и обсуждение. Анализ проведенного во ВНИИ крахмалопро-дуктов диагностирования технологического потока переработки картофеля показал, что значение уровня целостности системы 9 > 0 и дальнейшее её развитие
будет направлено на интенсификацию процессов разделения картофельной кашки и рафинирования крахмала [1]. Однако такое утверждение по развитию технологического потока частично, так как не учитывает влияния качества исходного картофеля на степень измельчения и извлечения крахмала, а также возможности совмещения технологических операций (табл. 1).
Испытания картофелетёрки ПТК-4 показали, что высокая степень измельчения картофеля сорта Лорх Кизм= 0,92-0,95 достигается при окружной скорости пильчатого барабана более 85 м/с (рис. 1). Это может быть обусловлено преобладанием в таком случае ударного воздействия над истирающим.
В результате исследований установлено, что содержание сухих веществ (СВ) в клубнях картофеля находится в прямой зависимости от количества крахмала, наиболее высокая концентрация СВ (30 %) отмечена при крахмалистости 25 %. Доля не крахмальных компонентов картофеля (клетчатка, зола, белки) по мере увеличения крахмалистости с 11 до 25 % уменьшалась с 8 до 5 %.
а 9
л а 8
а м
X х 7
я а
л е р к 6
ф о 5
о
т о 4
р X
а р
к а 3
с* в о т
о х 2
с > 1
а X
о. X
о т 0
11 14 16 17 19 20 21 22 24 25 Крахмалистость картофеля в %
Рис. 2. Зависимость расхода товарного картофеля от содержания крахмала в клубнях.
Крахмалистость - основной фактор, определяющий эффективность переработки картофеля на крахмал. Так, при крахмалистости 25 % расход клубней на 1 т продукции составляет 3,7 т, а при 14 % (базисная) - 6,7 т (рис. 2).
Возможность совмещения ключевых технологических операций (выделение из измельчённого картофеля крахмала, мезги, картофельного сока и промывка
Смесь мезги и
картофельного сока
эка|
VI
г-КУ
Крахмальная суспензия».
Чистая вода
Рис. 3. Схема трёхблочной гидроциклонной установки: 1-9 - разделительные мультициклоны; 10-20 - насосы; 3.1 - обескрахмаливающий мультициклон; 8.1 - выходной мультициклон-концентратор.
Технологические операции
Удаление тяжелых примесей
Новое комбинированное оборудование
Выходные параметры технологических операций нового оборудования
N
Мойка клубней картофеля
Мойка-камнеловушка
Содержание тяжёлых примесей
Загрязнённость клубней картофеля
D=0
< 0,5%
Измельчение клубней картофеля
Выделение мезги из кашки
Скоростная картофелетёрка
Коэффициент измельчения
Кизм до 95%
N
Выделение картофельного сока
Промывка крахмала
Обезвоживание крахмала
Сушка крахмала
Содержание сухих
веществ в смеси мезги CB до 8%
Гидроциклонная и картофельного сока
Установка Содержание сухих
веществ в суспензии CB до 40%
крахмала
Центробежная Влажность сухого W<20%
сушилка крахмала
рис. 4. Принципиальная схема совмещения технологических операций с использованием новых видах оборудовании для переработки картофеля на крахмал. крахмала) реализована в гидроциклонной установке с новой перекрёстной схемой соединения мультициклонов для обескрахмаливания и противоточной рециркуляции верхних жидких сходов (рис. 3), которая обеспечивает выделение мезги с картофельным соком и значительно уменьшает содержание растворимых веществ в конечной крахмальной суспензии [4].
По результатам проведенных исследований была установлена возможность совмещения технологических операций с сохранением значений выходных параметров по качеству крахмала по следующей принципиальной схеме: мойка картофеля и отделение камней - в комбинированной мойке-камнеловушке;
выделение мезги, картофельного сока, промывка крахмала - в гидроциклонной установке;
обезвоживание крахмальной суспензии и сушка сырого крахмала - в комбинированной центробежной пневматической сушилке (рис. 4).
Совмещение технологических операций усложняет конструкцию оборудования, но сокращает его номенклатуру в 2 раза, что снижает энергозатраты и производственные площади для их размещения и работы.
Комплект оборудования такой линии малой производительности можно эффективно использовать и для переработки некондиционного картофеля с низкой стоимостью сырья [5].
выводы. Высокая степень измельчения клубней картофеля (более 90 %) достигается при окружной скорости пильчатого барабана картофелетёрки более 85 м/с.
Для переработки на крахмал рекомендованы российские и белорусские сорта с крахмалистостью от 18 до 26 %, при использовании которых расход картофеля на 1 т крахмала не превышает 4 т: Бронницкий, Брянский, Ласунок, Никулинский, Выток, Здабытак, Темп.
Совмещение технологических операций переработки картофеля на крахмал и использование многоконтурной гидроциклонной установки с новой схемой рециркуляции промывной воды сокращают номенклатуру оборудования в 2 раза, расход чистой воды и электроэнергии
Развитие технологии производства картофельного крахмала должно быть направлено на разработку аграрно-пищевой технологии, включающей выращивание высококрахмалистого картофеля и его переработку в СХО.
Литература.
1. Андреев Н.Р. Основы производства нативных крахмалов. М.: Пищепромиздат, 2001. 289 с.
2. Панфилов В.А. Аграрно-пищевая технология: эффект системного комплекса //Техника и технология пищевых производств. 2014. №4. С. 5-11.
3. Сорта картофеля / Е.А. Симаков, Б.В. Анисимов, А.В. Митюшкин и др. / Отв. за вып. Г.И. Филиппова. М.: ГНУ ВНИИКХ Россельхозакадемии, 2014. 30 с.
4. Патент №2600388РФМПКВ04С5/24, Мультициклоннаяустановка/ Н.Р. Андреев, Т.Р. Карпенко, И.В. Карпенко. Заявитель и патентообладатель ФГБНУ ВНИИ крахмалопродуктов. - № 2015126165/05; заявл. 01.07.2015; опубл. 20.10.2016, № 29
5. Использование вторичных ресурсов производства картофелепродуктов в качестве сырья для производства крахмала / Н.Р. Андреев, Д.Н. Лукин, Л.В. Кривцун, В.А. Бызов//Достижения науки и техники АПК. 2015. Т.29. №12. С. 108-110.
DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY OF POTATO STARCH PRODuCTION
N. R. Andreyev, E. N. Maleeva, N. S. Lukina
All-Russian Research Institute of Starch Products, ul. Nekrasova, 11, pos. Kraskovo, Lyuberetskii r-n, Moskovskaya obl., 140051, Russian Federation
Summary. The restoration of potato starch production in our country requires a system approach to analysis of present technologies of potato processing in relation to its producers to arrange an agro-food technology. Key operations, affecting the degree of starch extraction, that should be studied, are grinding of tubers, extraction of starch from grinded potato, extraction of potato juice from starch slurry. High degree of tubers grinding to free starch grains from cells up to 95 % is achieved at the peripheral speed of serrate drum of a grater over 85 m/s. The degree of grinding was a main indicator for estimation of technological properties of 10 potato varieties with different starch content. Tubers with starch content of 25 % have the highest content of dry matter (30 %) and the least concentration (5 %) of other components (cellulose, soluble substances). The dependence of potato tubers consumption for production of 1 ton of commercial starch with humidity of 20 % was determined: at starch content in tubers of 25 % the consumption is 3.7 tons, at 14 % it was 6.7 tons. Potato varieties with starch content over 18 % were recommended for processing into starch: Bronnitskii, Nikulinskii, Nadezhda, Vytok, Zdabytak, Temp. In special farms for the commercial production of potato it can be recommended to use a new compact potato processing line with a minimum number oftechnological equipment, which is achieved by combining technological operations and development of new equipment. The basis of the line is a hydrocyclone station containing three blocks, where multicyclones are connected by a cross scheme, which improves separating ability of the station. The line could be efficiently used for processing of non-conditioned potato due to the low cost of raw materials. Key words: potato, starch content, grinding, starch, potato juice, pulp, hydrocyclone station.
Author Details: N.R. Andreyev, D.Sc. (Techn.), corresponding member of the RAS, scientific supervisor (e-mail: vniik@arrisp. ru); E.N. Maleeva, head of division; N.S. Lukina, head of division.
For citation: Andreev N.R., Maleeva E.N., Lukina N.S. Development of Technology of Potato Starch Production. Dostizheniya naukii tekhnikiAPK. 2016. V.30. No. 12. Pp. 104-106 (in Russ.).
