CC BY
12
УДК 664.2:621.9.°48.6 DOI 10.24411/0235-2486-2020-10055
Влияние ультразвуковой обработки на интенсивность разжижения крахмала
В.В. Ананских, канд. техн. наук; Л.Д. Шлеина*
ВНИИ крахмалопродуктов - филиал ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН
Дата поступления в редакцию 20.04.2020 * [email protected]
Дата принятия в печать 15.05.2020 © Ананских В.В., Шлеина Л.Д., 2020
Реферат
Основным технологическим процессом получения сахаристых веществ из крахмала является гидролиз, который протекает в две стадии: разжижение крахмала и осахаривание. Процесс гидролиза протекает при помощи катализаторов -ферментных препаратов: а-амилазы - при разжижении крахмала и глюкоамилазы - при осахаривании. От качества разжижения крахмала зависит протекание процессов осахаривания и фильтрования. При разжижении длинные полисахарид-ные цепочки крахмала под воздействием а-амилазы разрываются, и происходит подготовка к действию осахаривающего ферментного препарата глюкоамилазы. Экспериментально установлено, что расход ферментного препарата а-амилазы (например, Liquozyme Supra 2,8X) составляет 0,4-0,6 ед. АС на 1 г сухих веществ крахмала. Наша задача - снизить расход ферментного препарата на стадии разжижения крахмала. Уменьшение дозировки а-амилазы на разжижение крахмала способствует снижению себестоимости готовой продукции. Однако снижение дозировки фермента приводит к значительному повышению вязкости гидролизата, который требует установки насоса для перекачки продукта более высокой мощности. Для обеспечения максимального межмолекулярного контакта крахмала и фермента и снижения расхода ферментного препарата разжижаемую суспензию подвергли ультразвуковой обработке. Обработку проводили на экспериментальной установке, в которую была встроена камера с ультразвуковым магнитострикционным преобразователем. Разжиженный крахмал обрабатывали ультразвуком с частотой 22 кГц и мощностью 12 Вт/см2 в течение 3-4 сек. Это позволило повысить скорость разжижения и снизить расход ферментного препарата на 0,1 ед. АС/г крахмала, что составляет около 20 % от общего расхода фермента.
Ключевые слова
крахмальная суспензия, разжижение, ультразвуковая обработка, вязкость, глюкозный эквивалент Для цитирования
Ананских В.В., Шлеина Л.Д. (2020) Влияние ультразвуковой обработки на интенсивность разжижения крахмала // Пищевая промышленность. 2020. № 5. С. 50-54.
Effect of ultrasonic treatment on starch liquefaction intensity
V.V. Ananskikh, Candidate of Technical Sciences; L.D. Schleina*
All-Russian Research Institute of Starch Products - Branch of the Federal Science Center of Food Systems V.M. Gorbatov RAS
Received: April 20, 2020 * [email protected]
Accepted: May 15, 2020 © Ananskikh V.V., Shleina L.D., 2020
Abstract
The main process for the production of saccharide substances from starch is hydrolysis, which takes place in two stages such as liquefaction of starch and saccharification. Hydrolysis proceeds by means of catalysts, i. efermental medicines such as a-amylase at starch liquefaction and glucoamylase at saccharification. The running of saccharification and filtration depends on the quality of the starch liquefaction. While liquefaction long polisaccharide chains of starch are broken offby a-amylase and thus preparation for effect of saccharifyingen zymepreparation of glucoamylase takes place. It is experimentally established that a consumption of a-amylase (for example: Liquozyme Supra 2.8X) makes 0.4-0.6 units AC per 1 g starch dry solids. Our objective is to reduce the consumption of the enzyme preparation at the stage of starch liquefaction. Reduction of a a-amylase dosage for starch lique factionpromotes decrease in prime cost of end products. However, lowering of the enzyme dosage results in a significant increase of the hydrolysate viscosity, which requires the higher power pump to be installed to pump the product. To maximize the intermolecular contact of starch and enzyme and to reduce the consumption of the enzyme preparation, the liquefied suspension was sonicated. The treatment was carried out in a pilot plant having built in ultrasonic magnetostrictive transducer chamber. The thinned starch was sonicated at 22 kHz and 12 W/cm2 for 3-4 seconds. This made it possible to increase the liquefaction rate and reduce the consumption of the enzyme preparation by 0.1units AC/g starch, which is about 20 % of the total consumption of the enzyme.
Key words
starch suspension, liquefaction, ultrasonic treatment, viscosity, glucose equivalent For citation
Ananskikh V.V., Shleina L.D. (2020) Impact of ultrasonic treatment on starch liquefaction intensity // Food processing industry = Pischevaya promyshlennost'. 2020. No. 5. P. 50-54.
Введение. При получении сахаристых веществ из крахмала основным технологическим процессом является гидролиз, который протекает в две стадии: разжижение крахмала и осахаривание. Процесс гидролиза крахмала протекает в присутствии катализаторов - ферментных препаратов. При разжижении крахмала применяются а-амилазы, а при осахаривании -глюкоамилаза. Скорость разжижения зависит главным образом от дозировки амилазы, рН и температуры. При разжижении крахмальной суспензии в момент контакта с потоком водяного пара вязкость продукта резко возрастает, он становится малоподвижным за счет клейстери-зации крахмала, и скорость разжижения снижается. В присутствии ферментного препарата в клейстеризованном крахмале происходит разрыв внутримолекулярных связей, и вязкость продукта уменьшается. Снижение расхода а-амилазы способствует уменьшению себестоимости готовой продукции.
С целью снижения расхода ферментного препарата а-амилазы необходимо обеспечить межмолекулярный контакт между компонентами путем механического воздействия на продукт. Осуществить механическое воздействие с помощью перемешивающих устройств в существующей конструкции разварника довольно сложно, поэтому использовали технологию ультразвуковой обработки на разжижаемый продукт.
Ультразвук представляет собой упругие колебания и волны, частота которых превышает 20 кГц. Ультразвук большой интенсивности оказывает воздействие на протекание тех или иных технологических процессов посредством нелинейных эффектов - кавитации, акустических потоков и др. С помощью ультразвука можно осаждать взвеси из воздуха, например, дымовые газы электростанций, заводов и фабрик, осаждать тончайшую цементную пыль, муку на мельничном производстве. Ультразвук, пройдя через туман, может собрать мельчайшие капельки воды в более крупные, которые осядут в виде дождя. В микроэлектронике и полупроводниковой технике используется ультразвуковая приварка тонких проводников к напыленным металлическим пленкам и непосредственно к полупроводникам. С помощью ультразвуковой сварки соединяют пластмассовые детали, полимерные пленки, синтетические ткани и др.
Применение ультразвуковой обработки в пищевой промышленности интенсифицирует (ускоряет) ряд процессов тепло-и массообмена в различных технологиях [1].
Установлено, что ультразвуковые колебания способны изменять скорость диффузии, кристаллизации, ускорять процесс растворения [2, 3].
Существующие типы источников ультразвуковых колебаний разделяются на две основные группы: механические и электромеханические.
Для обработки жидкости при механическом получении ультразвуковых волн используются гидродинамические вибраторы. В таких вибраторах создаются ультразвуковые колебания за счет энергии струи самой обрабатываемой жидкости
[4].
При обработке суспензии кукурузного крахмала ультразвуком частотой 24 кГц и продолжительностью 15 и 30 мин установлено, что кавитация, вызванная ультразвуком, приводит к модификации гранул крахмала, увеличивает его растворимость в воде и снижает температуру желатинизации [5].
Эффективность показал ультразвук и при обработке экстрактов пряно-ароматического сырья в производстве спиртовых морсов и настоев [6].
Во ВНИИ крахмалопродуктов проведены исследования по применению ультразвуковой обработки в процессе ферментативного разжижения крахмала, и дана оценка его влияния на физико-химические свойства разжиженного крахмала.
Цель исследования - снижение вязкости разжиженного крахмала и дозировки ферментного препарата в результате ультразвуковой обработки клейстеризован-ного крахмала.
Материалы и методы исследования. Материалы: крахмальная суспензия, полученная из кукурузного крахмала по ГОСТ 32159-2013, кислота соляная синтетическая техническая марки А по ГОСТ 857-95, 18%-ный раствор соды кальцинированной технической (Na2CO3) по ГОСТ 5100-85, термостабильный ферментный препарат бактериальная а-амилаза «Liquozyme Supra 2,8X» фирмы Novozymes (Дания).
Методы исследования: показатель ГЭ в разжиженном крахмале определяли по методу Лейна и Эйнона. Вязкость разжиженного крахмала определяли с помощью вискозиметра Гепплера.
Углеводный состав определяли методом ВЭЖХ на хроматографе Bischoff.
В качестве ультразвукового генератора использовали аппарат УЗГ8-0,4 / 22, входящий в комплект ультразвукового диспергатора УЗД1-0,4 / 22 мощностью
0,85 кВт. Ультразвуковой генератор предназначен для питания магнитострик-ционного преобразователя и создания в жидкостях интенсивной кавитирующей зоны. Магнитострикционный преобразователь преобразует электрическую энергию генератора в энергию механических ультразвуковых колебаний рабочего инструмента с частотой 22 кГц. Диаметр рабочего инструмента - 20 мм. Выходная мощность ультразвукового генератора - 400 Вт.
Исследования проводили на созданном во ВНИИК экспериментальном стенде с использованием в качестве нагревателя струйного смесителя и трубчатого выдер-живателя. Нагрев и клейстеризацию крахмала в струйном смесителе осуществляли насыщенным водяным паром давлением 0,8 МПа. Насыщенный водяной пар получали на парогенераторе марки ПАР 50Н-8. Производительность парогенератора -50 кг пара в час, давление пара поддерживалось в пределах 0,7-0,9 МПа.
Обработка полученных данных при проведении процесса разжижения крахмала проводилась с использованием компьютерной программы ТаЫе Curve 3D 4.0.01.
Результаты и их обсуждение. Основными параметрами, с помощью которых оценивали процесс разжижения крахмала, выбраны глюкозный эквивалент (ГЭ) и вязкость разжиженного продукта.
Для исследования влияния ультразвука на процесс разжижения крахмала была специально разработана камера (рис. 1)
Рис. 1. Камера с ультразвуковым преобразователем:
1 - камера с трубопроводами и фланцами соединения; 2 - крышка камеры; 3 - гран-букса; 4 - исполнительный механизм с ультразвуковым преобразователем.
В атмосферу
Крахмальная суспензия
2/ 13 6
Рис. 2. Схема экспериментального стенда для разжижения крахмала: 1 - сборник для приготовления крахмальной суспензии; 2 - дозировочный насос; 3 - струйный разварник; 4 - смотровое стекло; 5 - ультразвуковой преобразователь; 6 - ультразвуковой генератор; 7 - выдерживатель; 8 - расширитель для установки приборов; 9 - регулятор давления; 10 - испаритель; 11 - сборник разваренного продукта; 12 - термометр; 13 - манометр
Сравнительные показатели ГЭ и вязкости в разваренном крахмале без обработки и с ультразвуковой обработкой
№ опыта Дозировка а-амилазы, ед. АС/г Длительность процесса разжижения, мин ГЭ, % h, мПа. с
Без ультразвуковой обработки
1 0,4 5 3,3 220
2 0,5 5 4,2 140
3 0,6 5 5,1 100
4 0,7 5 6,0 77
5 0,8 5 6,9 60
С ультразвуковой обработкой
6 0,4 5 4,1 150
7 0,5 5 5,2 95
8 0,6 5 6,2 70
9 0,7 5 7,3 50
10 0,8 5 8,4 40
с размещенным в ней преобразователем, которую установили в технологической схеме после струйного смесителя.
Преобразователь соединяется с ультразвуковым генератором и охлаждается водой, а сам исполнительный механизм помещен в продукт, находящийся в камере.
Технологическая схема экспериментального стенда представлена на рис. 2. В качестве объекта обработки использована суспензия кукурузного крахмала концентрацией 35 %. Водную суспензию крахмала готовили в сборнике поз. 1.
Разжижение крахмала проводили с использованием ферментного препарата термостабильной а-амилазы. Ферментный препарат вносили в сборник поз. 1, где
смешивали с суспензией крахмала. Дозировка а-амилазы выбрана на 5 уровнях -от 0,2 до 0,6 ед. АС на 1 г сухих веществ крахмала с интервалом 0,1 ед. АС. Подготовленную к разжижению крахмальную суспензию с помощью дозировочного насоса поз. 2 перекачивали в струйный раз-варник поз. 3, где происходит быстрый ее нагрев до температуры 105 °С, в результате чего крахмал клейстеризуется и ведутся его разваривание и разжижение.
В начальный период разваривания крахмала, в момент контакта с потоком водяного пара вязкость продукта резко возрастает, что снижает межмолекулярное взаимодействие зерен крахмала с ферментом, - это приводит к снижению
скорости разжижения. Для визуального наблюдения за состоянием разваренной массы предусмотрено смотровое окно поз. 4. С целью увеличения скорости разжижения, то есть снижения вязкости продукта, улучшения его текучести и межмолекулярного взаимодействия, на продукт воздействовали ультразвуком в камере поз. 5. Далее разваренную и нагретую вязкую массу направляли в выдерживатель поз. 7, где продукт находится в течение 5 мин, в результате чего вязкость его снижается. Давление продукта в выдер-живателе поддерживается на уровне 0,20,3 МПа с целью предотвращения его закипания, которое может произойти при 0,12 МПа. Указанное давление поддерживали с помощью регулятора давления поз. 9. После прохождения регулятора давления продукт направляли в испаритель поз. 10, в нем поддерживали атмосферное давление, при котором продукт вскипал и его температура снижалась до 100 °С. Испаренная влага уходила в атмосферу, а разжиженный продукт собирали в сборник готовой продукции поз. 11.
Расход крахмальной суспензии в установке по разжижению крахмала поддерживали на уровне 80 дм3/ч. Время пребывания продукта в камере с ультразвуковым преобразователем составило 3-4 сек, мощность ультразвукового воздействия -
12 Вт / см2. На нагрев, клейстеризацию и разжижение указанного количества крахмальной суспензии до 105 °С расход пара давлением около 08 МПа составил
13 кг/ч пара.
Из сборника поз. 11 проводили отбор пробы для контроля показателей вязкости и ГЭ в разжиженном крахмале.
Следует отметить, что определение в разжиженном крахмале ГЭ весьма затруднительно, так как при ГЭ ниже 4 % вязкость разжиженного крахмала при температуре около 70 °С составляет более 90 мПа. с, а при отборе пробы температура еще снижается, вязкость продукта повышается. При охлаждении пробы до температуры 20 °С разжиженный продукт имеет гелеобразное состояние. В связи с этим отобранную пробу разбавляли горячей водой, подготовив ее таким образом для дальнейших лабораторных исследований.
В таблице представлены сравнительные показатели вязкости и ГЭ экспериментальных исследований по разжижению крахмала без ультразвуковой обработки и с ультразвуковой обработкой.
В результате исследований (см. таблицу, рис. 3 и 4) следует, что с увеличением дозировки ферментного препарата
9 8 7 6 5
m 4 3 2 1
0
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
Дозировка альфа-амилазы, ед. АС/г
Без обработки л С ультразвуковой обработкой
Рис. 3. Зависимость ГЭ разжиженного крахмала от дозировки а-амилазы
34 34
1
•
£ --
\
6 «
2- 2
0 40 50 120 160 200 Вязкость, мПа-с Рис. 5. Зависимость изменения вязкости разжиженного крахмала от содержания в нем ГЭ
m
225 200 175 У ■:■-.
го с U о .,...
со СЕ со 75
50
25
0
0 А 0.5 0,6 0,7 Дозировка альфа-амилазы, ед. АС/г 0,6
-'—Без обработки -л— С ультразвуковой обработкой Рис. 4. Зависимость вязкости разжиженного крахмала от дозировки а-амилазы
а-амилазы ГЭ увеличивается, а вязкость снижается.
На рис. 3 представлена зависимость ГЭ разваренного продукта от дозировки термостабильной а-амилазы. Из графика видно, что с увеличением дозировки фермента наблюдается рост ГЭ разваренного продукта. Установлено также, что продукт, обработанный ультразвуком, имеет большее значение ГЭ, чем продукт без обработки при одинаковой дозировке фермента. Причем значение ГЭ продукта при дозировке фермента, например, 0,6 ед. АС на 1 г, соответствует ГЭ продукта, обработанного ультразвуком с дозировкой 0,5 ед. АС в 1 г.
На рис. 4 представлена зависимость вязкости продукта от дозировки разжижающего ферментного препарата. из рисунка следует, что вязкость продукта снижается с увеличением дозировки фермента. Причем в продукте, обработанном ультразвуком, вязкость снижается намного интенсивнее, чем в необработанном.
Таким образом, используя ультразвуковую обработку в начальной стадии разжижения крахмала, удалось снизить дозировку термостабильного ферментного препарата а-амилазы примерно на 0,1 ед. АС на 1 г крахмала.
Используя снижение дозировки а-амилазы на 0,1 ед. АС на 1 г крахмала с применением ультразвука и пересчитав эту величину на расход фермента при разжижении 1 т крахмала, получим снижение расхода около 20% по сравнению с обычным способом разжижения.
Анализ качественных показателей разжиженного продукта позволил разработать методику определения ГЭ в продукте по показателю его вязкости.
Указанная взаимосвязь величины вязкости продукта и ГЭ при разжижении была установлена путем многократных лабораторных опытов. Вязкость продукта в аппарате ниже вязкости, определенной
на вискозиметре Гепплера, так как температура в выдерживателе составляет 105 °С, а температура, при которой определялась вязкость разжиженного крахмала на вискозиметре, равнялась 70 °С. С применением компьютерной программы Table Curve 2 Dv 5.01 построена графическая зависимость (рис. 5) вязкости разжиженного крахмала от ГЭ.
С применением указанной программы определили характер изменения вязкости и ГЭ, а также вывели уравнение, позволяющее найти значения ГЭ по величине вязкости разжиженного крахмала.
Указанное уравнение относительно значения ГЭ примет следующий вид:
где ГЭ - глюкозный эквивалент (ГЭ) разжиженного крахмала, %;
Л - вязкость разжиженного крахмала, мПа. с.
При проведении экспериментальных исследований с целью контроля процесса разжижения определяли вязкость разжиженного крахмала, а затем с помощью полученного уравнения находили ГЭ.
Выводы. Ультразвуковая обработка разваренного крахмала способствует интенсификации межмолекулярного взаимодействия крахмала и фермента, что позволило повысить скорость разжижения крахмальной суспензии и снизить расход а-амилазы на 0,1 ед. АС на 1 г сухих веществ крахмала. Получено уравнение, позволяющее по вязкости разжиженного продукта определить в нем глюкозный эквивалент.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гольдштейн, В. Г. Определение оптимальных параметров извлечения связанного крах-
мала из картофельной пульпы воздействием ультразвуковыми колебаниями/В. Г. Гольд-штейн, В.А. Коваленок, Л. П. Носовская [и др.] // Пищевая промышленность. -2019. - № 10. - С. 76-80.
2. Афанасьев, В.А. Применение ультразвука в технологических линиях производства крахмала/ В. А. Афанасьев, С. А. Иритков, А.А. Фошин [и др.] // Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем. Материалы XII Всероссийской научно-технической конференции. -Чебоксары: Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова, 2017. -С. 343-348.
3. Manchun, S. Effektof Ultrasonik Triatmenton Physikal Propertiesof Tapioca Starch / S. Manchun, J. Nunthanid, S. Limmatvapirat [et al.] // Advanced Materials Research. - 2012. - Vol. 506. - P. 294-297.
4. Кудряшов, В.Л. Перспективы и эффективность использования мембранных и ультразвуковых процессов в крахмало-паточной промышленности // Труды международной научно-практической конференции: «Глубокая переработка зерна для производства крахмала, его модификаций и сахаристых продуктов». - 2013. - М., 2013. -С. 145-150.
5. Jambrak, A. R. Ultrasound effect on physical properties of corn starch/A.R. Jambrak, Z. Herceg, D Subaric [et al.] // Carbohydrate Polymers. - 2010. - Vol. 79. - No. 1. -P. 91-100.
6. Бурачевский, И. И. Применение ультразвука в производстве спиртовых настоев/ И. И. Бурачевский, Г. П. Зенина, Т.Ю. Аристархова // Ликероводочное производство и виноделие. - 2012. - № 5. -С. 20-22.
REFERENCES
1. Gol'dshtejn VG, Kovalenok VA, Nosovskaya LP, Plotnikov AA, Adikaeva LV. Opredelenie optimal'nyh parametrov izvlecheniya svyazannogo krahmala iz kartofel'noj pul'py vozdejstviem ul'trazvukovymi kolebaniyami [Determination of optimal parameters for extraction of bound starch from potato pulp by ultrasonic vibrations]. Pishchevaya promyshlennost' [Food industry]. 2019. No. 10. P. 76-80 (In Russ.).
2. Afanas'ev VA, Iritkov SA, Foshin AA, Yankevich SV. Primenenie ul'trazvuka v tekhnologicheskih liniyah proizvodstva krahmala [The use of ultrasound in the technological lines of production of starch]. Dinamika nelinejnyh diskretnyh elektrotekhnicheskih i elektronnyh sistem. Materialy XII Vserossijskoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii. Cheboksary: Chuvashskij gosudarstvennyj universitet imeni I.N. Ul'yanova [Dynamics of nonlinear discrete electrical and electronic systems. Materials of the XII ali-Russian Scientific and Technical Conference. Cheboksary: Chuvash State University named
after I. N. Ulyanov]. 2017. P. 343-348 (In Russ.).
3. Manchun S, Nunthanid J, Limmatvapirat S, Sriamornsak P. Effekt of Ultrasonik Triatment on Physikal Properties of Tapioca Starch. Advanced Materials Research. 2012. Vol. 506. P. 294-297.
4. Kudryashov VL. Perspektivy i effektivnost' ispol'zovaniya membrannyh i ul'trazvukovyh processov v krahmalopatochnoj promyshlennosti [Prospects and efficiency of using membrane and ultrasonic processes in the starch industry]. Trudi mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. «Glubokaya pererabotka zerna dlya proizvodstva krahmala, ego modifikacij i saharistyh produktov» [Proceedings of the international scientific and practical conference: «Deep processing of grain for the production of starch, its modifications and sugar products»]. Moscow, 2013. P. 145-150 (In Russ.).
5. Jambrak A, Herceg Z, Subaric D, Tripalo B, Gelo J. Ultrasound effect on physical properties of corn starch. Carbohydrate Polymers. 2010. Vol. 79. No. 1. P. 91-100.
6. Burachevskij II, Zenina GP, Aristarhova TYu. Primenenie ul'trazvuka v proizvodstve spirtovyh nastoev [Application of ultrasound in the production of alcohol infusions]. Likerovodochnoe proizvodstvo i vinodelie [Distillery and Wine Production]. 2012. No. 5. P. 20-22 (In Russ.).
Авторы Authors
Ананских Виктор Владимирови, канд. техн. наук, Victor V. Ananskikh, Candidate of Technical Sciences,
Шлеина Любовь Даниловна Lyubov' D. Shleina
ВНИИ крахмалопродуктов - филиал ФНЦ пищевых систем All-Russian Research Institute of Starch Products - Branch of the
им. В.М. Горбатова РАН, 140051, Московская обл., Люберецкий р-н, Federal Science Center of Food Systems V.M. Gorbatov RAS, 11, Nekrasov
пос. Красково, ул. Некрасова, д. 11, [email protected] str., Lyubertsy district, Moscow region, 140051, [email protected]
