CC BY
110
модернизация предприятий пищевой промышленности
ТЕМА НОМЕРА
УДК 664.2
Современные тенденции развития технологий крахмала
и крахмалопродуктов
Н.Р. Андреев, д-р техн. наук, член-корр. РАН; Д.С. Куликов
ВНИИ крахмалопродуктов - филиал ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН, Москвоская обл., пос. Красково
Участники конференции в Детмольде: Куликов Д.С., Леденев В.П., Андреев Н.Р., Соловьев A.Q.
Производство крахмала и крахмалопродуктов в мире непрерывно возрастает и занимает одно из ведущих мест в экономике промышленно развитых стран. Это связано с многообразием свойств крахмала, его широким применением для пищевых, медицинских, технических целей и непрерывным совершенствованием технологий его производства, что находит свое отражение в ежегодно проводимых конференциях в г. Детмольде (Германия). В апреле 2018 г. Ассоциацией по исследованию зерновых (AGF Arbeitsgemeinschaft Getreideforschung e. V) совместно с Институтом Макса Рубнера (Max Rubner - Institut) проведена 69-я конференция в области химии и технологии крахмала, в которой приняли участие от ВНИИ крахмалопродуктов научный руководитель Андреев Н.Р. и младший научный сотрудник Куликов Д.С. В работе конференции также приняли участие представители ВНИИ пищевой биотехнологии Леденев В.П. и Соловьев А.О.
среди 160 участников конференции были представители России, Германии, Бельгии, Великобритании, Австрии, Нидерландов, литвы,
Швеции, Индии, Ирана, Швейцарии, Турции, США, Китая, Южной Кореи, Чехии, Франции и Уганды. Были заслушаны и обсуждены доклады 15 спикеров из 7 стран.
Программа конференции была систематизирована по 6 разделам: сырье, крахмал, модифицированные крахмалы и их применение, ферменты и технология крахмалопродуктов. Кроме того, конференция была совмещена с выставкой технологического оборудования и приборов для производства крахмала и его производных. В статье приведен обзор наиболее значимых докладов и их авторов по разделам тематики конференции.
1. Сырье
Thomas Pruter (Emlichheim, Германия): «Альтернативные культуры при традиционном производстве картофельного крахмала»
В докладе приводятся сравнительные характеристики горохового крахмала с крахмалами других культур. Показано, что производство картофельного крахмала в Европе снижается, а горохового, наоборот, возрас-
тает, и в 2016 г. соотношение производства этих крахмалов, например, в компании Emsland Group составило 5:1. Отмечено падение переработки картофеля на крахмал в ЕС в связи с отменой субсидий и роста переработки гороха на крахмал, белковый концентрат и пищевую клетчатку. Гороховый крахмал (Empure EJEL 100) идеален для производства томатных продуктов, пюре, соусов и крокетов. Комбинация горохового крахмала и картофельного обладает высоко желирующими свойствами и эластичной структурой, близкой к желатину. Комбинация может использоваться для изготовления желе, экструзи-онных и воздушных кондитерских изделий, жевательной резинки и шоколадной пасты. Ценность гороховых белков заключается в том, что они представлены в основном альбуминами (25 %) и глобулинами (70 %) и не содержат глютена. Белковый концентрат гороха может использоваться в технологии изготовления продуктов функционального и спортивного питания, заменителей мяса, майонеза и прочих соусов, кормовых продуктов и т. д. Гороховая клетчатка (Emfibre EF 60) может использоваться для введения в мясные продукты.
Автором приводится пример использования трех композитов при изготовлении мясных изделий: Emfibre EF 60, обогащенный волокнами, без глютена, с повышенной сочностью; Embat LF - для кляра без глютена, с хрустящей текстурой; Embat EK - для панировки, без глютена, с повышенной хрусткостью.
D.C. Saxena (Punjab, Индия): «Новые крахмалы: сравнительное изучение физико-химических, термических, морфологических, реологических, структурных свойств крахмалов и разработка различных пищевых продуктов из них»
Знания, касающиеся физических свойств новых видов крахмала (из конского и водного каштана, амаранта и мари белой), могут быть использованы для технологических
MODERNIZATION OF FOOD iNDUSTRY ENTERPRISES
операции и проектирования перерабатывающего оборудования. Для извлечения крахмала из амаранта и мари белои применяли щелочнои способ замачивания и измельчения. Процесс щелочного замачивания оказался успешным в отделении крахмала из «псевдозлаков» и каштановой муки. Мокрое измельчение было успешным для водного каштана с хорошим отделением крахмала и низким содержанием белка. Отмечено высокое содержание крахмала у конского каштана - 68,2 % и 74,2% -у водного. Содержание амилозы и размер гранул влияют на термодинамические свойства крахмалов, наименьшее содержание амилозы у амаранта (1,87%) и наибольшее -у конского каштана (26,1%). Крахмалы амаранта и мари белой (семейство амарантовых) показали кристалличность типа «А», тогда как кристалличность конского и водного каштанов -типа «С». Крахмал и мука из этих новых видов сырья могут служить моделью ингредиентов для изготовления пищевых продуктов (рис. 1).
2. Крахмал и его модификации Sabina Jakobi (Freising, Германия): «Физическая модификация муки, различия между механическими и термическими изменениями»
Целью этого исследования было определение структуры крахмала, изменяющего поведение пшеничной муки, и ее функциональности. Воздействие применяемых сил в процессе измельчения - механических, термомеханических и термических - было направлено на выяснение роли тепловых сил на структуру муки при модификации. Для детального исследования влияния специальных физических нагрузок (механических, термомеханических и термических) были проведены опыты с нативным пшеничным крахмалом, мукой и клейковиной с использованием ударного типа измельчителя криогенного типа для исключения нагрева измельчаемого продукта. обнаружено, что в начале процесса
Horse chestnut Water chestnut
Рис. 1. Морфология крахмалов мари белой, амаранта, конского и водного каштана
клеистеризации пшеничнои муки термической нагрузкоИ имеют место высокие крахмало-белковые взаимодействия, которые не были обнаружены в процессе с чистым крахмалом. Исследование показало, что структура крахмала и клейковины и их функциональные свойства, помимо механических нагрузок, зависят в значительной степени в процессе модификации и от термических нагрузок. Функциональность клейковины зависит главным образом от термического воздействия. Результаты исследований способствуют определению структурно-функциональных взаимодействий модифицированной муки, относящихся к гидратации, и устанавливают основу для достижения целенаправленной функциональности муки.
Ali Marefati (Lund, Швеция): «Крахмальные эмульсии для инкапсуляции гидрофобных и гидрофильных биоактивных соединений»
Задача исследования состояла в изучении возможности инкапсуляции, защиты и контроля выхода гидрофобных и гидрофильных субстанций с помощью крахмальных эмульсий. После воздействия тепла гранулы крахмала частично клейсте-ризуются и образуют когезионный барьер на границе фаз «масло-вода». Эмульсии крахмала были успешно использованы для инкапсуляции
куркумина и кармина и сохранения гидрофобных / гидрофильных биоактивных соединений в течение хранения и усвоения in vitro. Эмульсии крахмала могут быть использованы в разработке продуктов функционального назначения для контролируемой и целенаправленной доставки биоактивных компонентов [1].
Fresia Alvarado Chacon (Wegeningen, Нидерланды): «Структура и реологические свойства соединений крахмала и полиэтилена в производстве пленок»
Задача состояла в исследовании смеси (системы) для производства пленок, которая была бы устойчива к воде и воздуху. Смесь состоит из полиэтилена (ПЭ), который устойчив к воде, но имеет свойства пропускать воздух, и термопластичного крахмала (ТПК), который обладает хорошими защитными свойствами от влияния воздуха, но чувствителен к воде. Исследование проводилось с помощью быстрого анализатора вязкости (RVA), капиллярного и динамического реометров. с помощью этих методов был изучен эффект глице-рола как пластификатора [2].
Исследование реологии системы полиэтилена и термопластичного крахмала является сложным процессом и возможным при низком содержанием влаги в крах-
модернизация предприятий пищевой промышленности
ТЕМА НОМЕРА
А Б
Рис. 2. А - микрофотография поверхности пленки из ПЭ и ТПК; Б - вязкость ТПК при при высоком и низком содержании глицерола
мале. Изменения в реологии исходного сырья, такого, как крахмал и его виды, могут в значительной степени влиять на структуру и свойства получаемой пленки (рис. 2).
Jens Buller (Potsdam, Германия): «Древесный клей на основе крахмала»
Клеи на основе крахмала используются в производстве гофрированного картона и бумажных пакетов, а также в производстве этикеток бутылок, обоев и клеевых карандашей. исследованы параметры крахмала, влияющие на прочность склеивания буковой древесины: содержание амилозы, степень замещения, распределение молярной массы полисахаридов, концентрация и температура подготовки крахмальных дисперсий. Для достижения высокой степени адгезивности смесь картофельного и горохового крахмала обрабатывали пропионовой кислотой и бактериальной альфа-амилазой. В результате исследования обнаружены свойства пропионата горохового крахмала для прочного склеивания древесины: степень замещения 0,20,5; молярная масса 105-6Ч06 г/моль в зависимости от типа крахмала; растворимость > 50%; концентрация водной дисперсии 20-40%. В результате получен клей с прочностью склеивания 8-11 МПа.
3. Применение крахмалов
Koen Venema (Maastricht,
Нидерланды): «Влияние крахмала и его производных на микрофлору кишечника для человека в здоровом и болезненном состоянии»
Разработанные автором in vitro модели желудочно-кишечного тракта являются прекрасными инструментами для понимания влияния крахмала и его производных на состав и активность микрофлоры кишечника и мо-
гут помочь предсказать воздействие этих компонентов на здоровье человека. Установлено, что резистентный крахмал усваивается микрофлорой кищечника медленнее, чем пребио-тики инулин и лактоза, что особенно важно для питания микрофлоры прямой кишки [3].
4. Ферменты
Nina Schrögel-Truxius (Darmstadt, Германия): «Применение ферментов, разрушающих арабиноксилан, и их влияние на процесс извлечения клейковины» Автором исследованы три фермента («Эндоглюконаза 1», «Ксила-наза 1», «Ксиланаза 2») компании AB Enzymes для подготовки и разделения мучной суспензии (жидкого теста). Цель исследований - снизить вязкость мучной суспензии при ее высокой концентрации, разрушить арабиноксиланы и улучшить коагулирование глютена (клейковины). Фермент эндоглюконаза способен не только гидролизовать целлюлозу, но и ксиланы. При использовании эндоглюконазы улучшаются коа-гуляционные свуойства клейковины, высок уровень растяжимости и силы клейковины и на 51% снижается потребление свежей воды. Ксиланаза 1 каталитически действует на неэкстрагируемые арабинокси-ланы и улучшает их растворимость, растяжимость, увеличивает объем хлеба. Наибольшее количество на-досадочной жидкости после сепарации клейковины на 31% сокращает использование свежей воды. Гель-электрофорезный анализ показал, что изменений молекулярного веса белков глютена при использовании эндоглюконазы и ксиланазы не было.
5. Технология
Benjamin Metz (Vienna, Австрия): «Создание завода по производству
крахмальных подсластителем -практический опыт»
Крахмальный подсластитель получают из нативного крахмала путем ферментативной или кислотной обработки. Выбор типа подсластителя зависит от целевого профиля сахара и его функциональности. Технология получения крахмальных подсластителей заключается в получении крахмальной суспензии (молочка), далее - разжижение и осахаривание крахмала, фильтрация, ион-нобменная и угольная очистка глюкозных сиропов. Компания VOGELBUSCH Biocommodities GmbH предлагает технологию и проект завода с широким ассортиментом выпускаемых крахмальных подсластителей по четырем группам. В первой группе технологии глюкозно-фруктозных сиропов ГФС-42 и ГФС-55, во второй - ГФС-42 и сироп с глюкозным эквивалентом ГЭ 96, в третьей - глюкоза моногидрат и некристаллический сорбитол, в четвертой - глюкоза моногидрат и кристаллический сорбитол. В качестве примера автор представляет проект завода по переработке пшеницы «Биотех Росва» (рис. 3). Проектная мощность завода составляет 730 т переработки пшеницы в сутки. Получаемые продукты: сорбитол, фруктозный сироп-55, глюкоза моногидрат, клейковина и корм. Большое значение при проектировании завода имеет сокращение использования ресурсов при повторном использовании вторичной энергии пара и конденсата, а также сохранение воды путем снижения потребности в пресной воде, применяя повторное использование конденсатов, что сокращает расход пара на 20%.
Предложенная методология основана на моделировании процессов для проектирования и сравнения хро-матографических процессов, в частности для обогащения глюкозно-фруктозных сиропов. В основу модели автором положен синергетический эффект адсорбции глюкозы при увеличении концентрации фруктозы, что позволяет получать сиропы с содержанием фруктозы 90 % (ВФС), а сиропы с 55% фруктозы получать смешиванием ВФс 90 с исходным ГФс 42 с включением байпасной линии со стадии изомеризации глюкозы. Разработанная программа «ChromWorks TM» позволяет оптимизировать параметры работы новых многоколонных хроматографических установок.
Dietmar Schulze (Wolfsburg, Германия): «Силосная конструкция
modernization of food iNDusTRY enterprises
Рис. 3. Планируемое получение подсластителей на заводе «Биотех Росва» Laurent David (Nancy, Франция): «Использование моделирования для сравнения и оптимизации непрерывности хроматографических процессов»
для потока и еt применение на крахмальных силосах»
У современных силосов существуют некоторые недостатки - зоны стагнации сыпучих материалов. Из-за этого у сыпучих материалов снижаются показатели качества. На основании исследований сыпучести крахмала автором разработаны три проекта силосов, где этот недостаток ликвидирован. Все три проекта объединяют два показателя: угол наклона сужения конструкции и диаметр конструкции в зоне сужения. Первый проект предусматривает угол наклона 30° и диаметр канала 3 м. Особенности проекта: очень большой диаметр выпускного канала, лучшее заполнение пространства силоса. Второй проект силоса имеет угол наклона в 30°, но зона сужения силоса больше, диаметр выпускного канала 2 м. Особенности: большой диаметр канала, хорошее заполнение пространства силоса. У третьего проекта предусмотрен угол наклона 30° и максимальная из трех проектов зона сужения силоса с диаметром выпускного канала 0,7 м.
Jochen Sprung, Andreas Weissenberger (Weingarten, Германия): «Новые решения по экструзии в крахмальной промышленности»
Фирма COPERION представляет новые конструкции экструдеров с двумя одинаково вра-
щающимися шнеками и устойчивыми питателями ввода продукта и реагентов, что позволяет регулировать параметры экструзии и качество модификации крахмала (рис. 4) [4].
Hongben Zhou (Herrsching, Германия): «Оборудование для модификации крахмала»
Технологическое оборудование фирмы «AVA GmbH & Co. KG» для модификации крахмала включает все операции: смешивание, увлажнение, влаготермическую обработку крахмала с реагентами и высушивание. Особый интерес представляют декстринизатор непрерывного действия HRM и реактор барабанного типа для непрерывного катионирования крахмала НТК-Т [5].
Представленные на конференции доклады, образцы приборов и оборудования отражают основные тенденции развития науки о крахмале и его производстве.
Отмечено изменение структуры сырья для переработки на крахмал в ЕС - падение переработки картофеля и рост переработки гороха на крахмал, белковый концентрат и пищевую клетчатку. В странах Азии проявлен интерес и ведутся исследования по переработке на крахмал таких культур, как конский и водный каштан, амарант и мари белая.
В области развития технологий производства пшеничного крахмала и сухой клейковины ведутся исследования по совершенствованию процессов подготовки муки для разделения крахмала и клейковины. Применение новых целлюлолитических ферментов эндоглюконазы и ксилазы позволяет полностью расщеплять арабиноксиланы, что снижает вязкость разделяемых мучных суспензий и расход свежей воды на 51%.
Расширяется сфера исследований и применения крахмалов как эмульгаторов и сорбентов для инкапсулирования и доставки биоактивных
Рис. 4. Корпус и шнек многоступенчатого эструдера ZSK 54
модернизация предприятий пищевой промышленности
ТЕМА НОМЕРА
соединении ароматизаторов и красителей, пребиотиков на основе резистентных крахмалов, клеевых композитов, термопластичных материалов для биоразрушаемых пленок.
ЛИТЕРАТУРА
1 Marefati, A. Pickering emulsifiers based on hydrophobicaliy modified small granular starches - Part I: Manufacturing and physico-chemical characterization/A. Marefati [et all] // Carbohydrate Polymers. - 2017.
2. Hedegaard, Effect and extensional viscosity on cocontinuty jn immiscible polymer blends/ Hedegaard [et all] // Journal of Rheology. - 2015. - 59. -1397-1417.
3. Venema K. Experimental models of the gut microbiate/ K. Venema, van den Abeele P. // Best Pract Res Clin
Gastroenterol. - 2013. - 27 (1). - 115126.
4. Schulze, D. Storage and Flow of Powders and Bulk Solids, in H.G. Merkus and G. M. H. Meesters (Editors): Production, Handling and Characterization of Particulate Materials/ D. Schulze // Springer-Verlag, Particle Technology Series. - 2016. - Vol. 25. - 425-478.
5. David Steinbach, Prä sentation: Internes Kick-off Meeting zum BBI Demo Project GRACE // AVA-Biochem, Muttenz. -Dezember, 2017.
REFERENCES
1. Marefati, A. Pickering emulsifiers based on hydrophobically modified small granular starches - Part I: Manufacturing and physico-chemical characterization/A. Marefati [et all] // Carbohydrate Polymers. - 2017.
2. Hedegaard, Effect and extensional viscosity on cocontinuty jn immiscible polymer blends/ Hedegaard [et all] // Journal of Rheology. - 2015. - 59. -1397-1417.
3. Venema K. Experimental models of the gut microbiate/ K. Venema, van den Abeele P. // Best Pract Res Clin Gastroenterol. - 2013. - 27 (1). - 115126.
4. Schulze, D. Storage and Flow of Powders and Bulk Solids, in H.G. Merkus and G. M. H. Meesters (Editors): Production, Handling and Characterization of Particulate Materials/D. Schulze // Springer-Verlag, Particle Technology Series. - 2016. - Vol. 25. - 425-478.
5. David Steinbach, Präsentation: Internes Kick-off Meeting zum BBI Demo Project GRACE // AVA-Biochem, Muttenz. -Dezember, 2017.
Современные тенденции развития технологий крахмала и крахмалопродуктов
Ключевые слова
крахмал, модифицированный; применение; технология; ферменты
Реферат
Производство крахмала и крахмалопродуктов в мире непрерывно возрастает, это связано с многообразием свойств крахмала, его широким применением для пищевых, медицинских, технических целей и непрерывным совершенствованием технологий его производства и применения, что находит свое отражение в ежегодно проводимых конференциях в г. Детмольде (Германия). В 69-й конференция в области химии и технологии крахмала приняли участие более 150 представителей 20 стран. Программа конференции была систематизирована по 6 разделам: сырье, крахмал, модифицированные крахмалы, применение крахмалов, ферменты, технологии и оборудование. Пленарные доклады были посвящены: изменению структуры крахмалсодержащего сырья - падению производства картофельного крахмала и росту горохового в европейских странах, а в странах Азии проявлен интерес и ведутся исследования по переработке на крахмал таких культур, как конский и водный каштан с высоким содержанием крахмала до 74,2 %, а также амарант и мари белая. В области развития технологий производства пшеничного крахмала и сухой клейковины ведутся исследования по совершенствованию процессов подготовки муки для разделения крахмала и клейковины с применением новых ферментов, расщепляющих арабиноксила-ны и снижающих вязкость разделяемых мучных суспензий. В докладах большое внимание было уделено применению крахмалов как эмульгаторов и сорбентов для инкапсулирования и доставки биоактивных соединений, как пребиотиков на основе резистентных крахмалов, как клеевых композитов и термопластичных материалов для биоразрушаемых пленок. Для модификации крахмала особый интерес представляют такие виды оборудования как: декстринизаторы непрерывного действия и реакторы барабанного типа для непрерывного катионирования крахмала. Получили дальнейшее развитие ферментативные технологии гидролиза крахмала для производства высокофруктозных сиропов с использованиием синергетического эффекта адсорбции глюкозы при увеличении концентрации фруктозы с содержанием ее до 90%), а сиропы с 55% фруктозы получать смешиванием ВФС 90 с исходным ГФС 42 с включением байпасной линии со стадии изомеризации глюкозы.
Авторы
Андреев Николай Руфеевич, д-р техн. наук, член-корр. РАН, Куликов Денис Сергеевич
ВНИИ крахмалопродуктов - филиал ФГБНУ «ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН, 140051, Московская область, Люберецкий р-н, п. Красково, ул. Некрасова, д. 11, andreev@arrisp.ru
Modern trends of development of technology of starch and starch products
Key words
starch, modified; application; enzymes; technology
Abstracts
Production of starch and starch products in the world is continuously increasing, this is due to the variety of properties of starch and its wide application for food, medical, technical purposes and continuous improvement of its production and application technologies, which is reflected in the annual conferences in Detmold (Germany). More than 150 participants from 20 countries attended the 69th conference in the field of chemistry and starch technology. The reports of the conference, was organized by 6 topics: raw material, starch, modified starches, application, enzymes, technology and equipment. Plenary reports were devoted to changes in the structure of starch-containing raw materials - the fall in the production of potato starch and pea growth in European countries, but in Asia interest has been shown and research is being conducted on the processing of starch crops such as horse and water chestnut with a high starch content up to 74.2%, as well as amaranth and chenopodium album. In the field of development of technologies for the production of wheat starch and dry gluten, studies are being conducted to improve the processes of preparation of flour for the separation of starch and gluten by using of new enzymes that break down arabinoxilans and reduce the viscosity of the separated flour suspensions..In the reports much attention was paid to the use of starches: as emulsifiers and sorbents for encapsulation and delivery of bioactive compounds, as prebiotics based on resistant starches, as adhesive composites and thermoplastic materials for biodegradable films. For modification of starch more interest are presented the types of equipment: continuous dextrinizator and drum-type reactor for continuous cationization of starch. The enzymatic technologies of starch hydrolysis for the production of high-fructose syrups with the use of a synergistic effect of glucose adsorption were further developed with an increase in the fructose concentration with its content up to 90%, and the syrups with 55% fructose were obtained by mixing HFS 90 with the initial GFS 42 with the inclusion of a bypass line from the stage of glucose isomerization
Authors
Andreev Nikolay Rutheevich, doctor of technical Sciences, member-correspondent of the RAS; Kulikov Denis Sergeyevich
The All-Russian Research Institute of Starch Products - FGBNU branch FNTs of food systems of V.M. Gorbatov of RAS, 11, Nekrasov St., item Kraskovo, Lyubertsy district, Moscow region, 140051, andreev@arrisp.ru
