Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология крахмала, крахмалопродуктов и глюкозно-фруктозных сиропов. Учебное пособие
.pdf
11
Удельная вращательная способность клейстеризованного
картофельного крахмала [α]
20
cоставляет 204,3о, кукурузного –
D
201,5о.
Целые крахмальные зѐрна нерастворимы в холодной воде
(20 оС), этиловом спирте, эфире, сероуглероде, хлороформе, бен-
золе, но в зависимости от некоторых условий растворяются в щелочах и растворах солей Zn, Mg, Са (например, СаСl2) и некоторых
других.
Поведение зерен крахмала в воде при температуре выше
20 оС является специфическим свойством, подтверждающим гид-
рофильность макромолекул крахмала. При 60 оС крахмал из кукурузы поглощает до 300 % воды, при 70 оС – до 1000 % к начальной
своей массе при 20 оС. В состоянии максимального набухания
макромолекула крахмала поглощает до 2500 % воды.
При повышении температуры происходит набухание зерен
крахмала с образованием вязкого коллоидного раствора – клейстера. В процессе набухания диссоциированные молекулы воды проникают в макромолекулы и постепенно гидратируют гидроксильные группы крахмала.
Стадии набухания зерен крахмала протекают с учетом температуры водной суспензии. В водной среде при относительно
низкой температуре (до 50 оС) происходит незначительное набухание зерен и увеличения вязкости крахмальной суспензии не наблюдается. При последующем охлаждении суспензии до 20 оС и
высушивании изменений структуры зерен крахмала не обнаруживается.
В процессе дальнейшего нагревания водной суспензии от
55 до 65 оС протекает вторая стадия набухания крахмала. Зѐрна
крахмала за счет поглощения молекул воды увеличиваются в объеме в несколько раз, при этом претерпевает изменения их исходная
структура. Отмечается заметное увеличение вязкости крахмальной
суспензии. Некоторая часть макромолекул крахмала, в основном
амилоза и амилопектин с низкой степенью полимеризации, переходит в раствор, что подтверждается цветной реакцией с йодом.
При последующем повышении температуры суспензии происходят существенные изменения в структуре зерен крахмала, что
характеризует третью стадию набухания. Крахмальные зерна
12
вследствие значительного поглощения молекул воды и увеличения
внутреннего осмотического давления разрываются и принимают
вид бесформенных оболочек.
Последующее охлаждение полученной коллоидной системы
приводит к образованию прочного геля, называемого клейстером.
Крахмал из картофеля начинает набухать уже при 40 -
45 °С, а крахмал из зерновых культур – при 35 °С. Каждый вид
крахмала имеет характерную температуру клейстеризации. Картофельный крахмал клейстеризуется в интервале температур 55 -
65 °С, кукурузный – 65 - 75 °С, пшеничный – 65 - 72 °С.
При температуре 120 °С и выше в присутствии воды происходит растворение амилопектина и частичная деструкция макромолекул исходного крахмала.
Набухание зерен крахмала может протекать даже при
20 оС в водных растворах щелочей и солей некоторых металлов.
Изменяя в растворах концентрации указанных солей, можно регулировать скорость и степень набухания крахмала.
Зерна крахмала не набухают в воде после их предварительной специальной обработки различными кислотами. В горячей воде такие зерна легко распадаются, и крахмал переходит в раствор,
в котором уже не образуются структурные решетки, вызывающие
образование клейстеров с высокой вязкостью.
Полученные в результате набухания крахмальные растворы
не являются устойчивыми. После определенного промежутка времени они подвергаются ретроградации, т. е. расслоению с образованием нерастворимого осадка, состоящего из макромолекул амилозы. Осадок постепенно превращается в агрегаты, недоступные
для ферментативного воздействия.
Процесс ретроградации крахмальных растворов может быть
интенсифицирован путем их замораживания. Зерна крахмала,
предварительно обработанные этиловым спиртом, при последующем растворении в горячей воде дают растворы, легко подвергающиеся ретроградации.
13
1.3. Химические свойства крахмала
Натуральный крахмал относится к нередуцирующим углеводам. Химическая формула крахмала (СбН10О5)n свидетельствует о
том, что его основой является глюкозный остаток СбН10О5.
Одно из известных свойств крахмала – цветная реакция с раствором йода и йодистого калия. Реакция имеет очень высокую чувствительность и проявляется в образовании характерного синего
окрашивания даже при сильном разведении крахмала 1: 500 000.
Цветная реакция проходит в две стадии – на первой процесс образования комплексов по соотношению на одну молекулу йода шесть
глюкозных остатков, которые образуют полный виток спирали.
Вторая стадия осуществляется за счет адсорбционного взаимодействия молекул йода с активной поверхностью макромолекул
разветвленных полисахаридов, например амилопектина.
Окраска раствора йода зависит от структуры макромолекул и
степени полимеризации, что позволяет использовать эту реакцию
в производственных условиях для количественного определения
глубины гидролиза крахмала.
Основная химическая реакция полисахарида крахмала – гидролиз. В присутствии катализатора (ионы водорода или ферменты
типа амилаз) и при достаточном разбавлении гидролиз крахмала
протекает до конечного продукта – глюкозы в соответствии с
уравнением
(С6Н10О5)n + n Н2О = n С6Н12О6.
В составе макромолекул крахмала представлены две фракции полисахаридов – амилоза и амилопектин, которые различаются строением и характером связей между глюкозными остатками,
соединенными α – глюкозидными связями.
Амилоза представляет собой линейную фракцию полисахарида, амилопектин - нелинейную, разветвленную. Линейный по-
лисахарид сформирован глюкозными остатками, соединенными
в основном α -1,4- глюкозидными связями (рис. 1.2).
14
Рис. 1.2. Химическая структура молекулы амилозы
Нелинейный полисахарид амилопектин содержит огромное
количество аналогичных связей, однако в его структуре линейность прерывается связями другого типа, например α -1,6- глюкозидными связями. Такая связь может формировать ответвление
другой линейной структуры, в результате образуется разветвленная структура полисахарида (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Химическая структура молекулы амилопектина
Усложняет химическую структуру природного полисахарида возможность новых образований из линейных макромолекул с
участием водородных связей.
В картофельном крахмале амилозы содержится около 27 %,
амилопектина – 73 %. В кукурузном крахмале амилозы – 30, в
пшеничном – 27, в рисовом – 31,5 %.
15
Молекулярная масса амилозы составляет от 160∙103 до
1 млн, что соответствует 1000 - 6000 глюкозных остатков. Амилоза растворяется в воде при температуре ниже 100 оС. Водные растворы амилозы имеют невысокую устойчивость и быстро переходят в стадию ретроградации.
Очищенная амилоза даѐт с раствором йода интенсивное синее окрашивание.
Фракция амилопектина не растворяется в воде при температуре ниже 100 оС. Амилопектин в чистом виде дает с раствором
йода фиолетово-красное окрашивание. В горячей воле подвергается сильному набуханию, причем образуются вязкие и стойкие
коллоидные системы. Клейстеры из амилопектина менее подвержены ретроградации, в их присутствии повышается стойкость
растворов амилозы.
Молекула амилопектина содержит до ста тысяч глюкозных
остатков и более, его молекулярная масса значительно выше, чем у
амилозы и составляет (4 - 5)∙108.
Действие ферментов на указанные фракции крахмала протекает по разным схемам. При участии фермента β – амилазы полисахарид амилоза расщепляется с неальдегидного конца частями
по два глюкозных остатка, образующих с молекулой воды дисахарид мальтозу.
Амилопектин под действием фермента β – амилазы разрушается частично. Отщепляются лишь наружные отростки макромолекулы, имеющие связи α -1,4, и не разрушаются связи α -1,6 в
точках их ветвления. При ферментативном гидролизе остается
некоторая устойчивая фракция (сердцевина) макромолекулы, которая называется остаточными декстринами или β – декстринами
(рис. 1.4).
В амилопектине точки ветвления находятся приблизительно
через 10 - 12 глюкозных остатков, а внешние ветвления состоят из
15 - 18 глюкопиранозных единиц.
16
Рис. 1.4. Схема строения: а - амилоза; б - амилопектин
а
б
(черточками показаны границы расщепления ферментом β-амилазой)
Важным свойством зѐрен крахмала является их избирательная адсорбционная активность. Поверхность зерен крахмала адсорбирует из растворов незначительные массы различных кислот:
серной – 0,4, соляной – 1,9, щавелевой – 3,1 %. В присутствии кислот изменяется температура клейстеризации крахмала: для соляной кислоты снижается от 60,8 оС (0,25 моль/дм3 раствор) до
49,6 оС (3 моль/дм3 раствор); для уксусной кислоты – от 58,3 оС
(0,5 моль/дм3 раствор) до 50,4 оС (5 моль/дм3 раствор).
Действие серной кислоты проявляется неоднозначно – при
повышении концентрации кислоты в растворе до 3 моль/дм3 температура клейстеризации возрастает от 61,8 до 65,2 оС, при последующем увеличении концентрации кислоты до 5 моль/дм3 температура клейстеризации снижается до 50,4 оС.
Зѐрна крахмала адсорбируют из водных растворов значительные массы щелочей – до 40 - 60 %, что оказывает влияние на
процесс клейстеризации. В присутствии КОН температура клейстеризации крахмала снижается от 59,6 до 41,0 оС, в присутствии
NН4ОН – от 56,7 до 53,8 оС.
Находящиеся в составе крахмала минеральные соединения
влияют на качество получаемых клейстеров. Присутствие катионов щелочных металлов позволяет получать прозрачные клейстеры с высокой вязкостью.
17
Глава 2. ПОЛУЧЕНИЕ КРАХМАЛА ИЗ КАРТОФЕЛЯ
2.1. Картофель, общие сведения
Картофель является одним из основных видов растительно-
го сырья для промышленного производства крахмала. Родиной
его считается Южная Америка, где он возделывается как многолетнее цветковое растение.
На европейском континенте картофель как однолетнее растение размножается за счет весенней посадки семенного материала в виде клубней предыдущего урожая. На территории России
наибольшие площади, занятые картофелем, находятся в нечерноземных областях, а также в Поволжье, на Урале и Сибири.
Производство крахмала из картофеля имеет свои преимущества:
- клейстеры из картофельного крахмала имеют хорошие
вкусовые показатели при его высокой вязкости и минимальном
содержании примесей;
- относительная простота технологии и аппаратуры для по-
лучения крахмала из картофеля;
- возможности получения наибольшего биологического
сбора крахмала с каждого гектара посевных площадей, занятых
картофелем – от 3,2 до 5,0 т.
При организации картофелекрахмального производства
имеются существенные недостатки:
- сезонность переработки картофеля, обусловленная значи-
тельными потерями крахмала при хранении сырья, что ограничивает продолжительность производственного периода 120 -
150 сут;
- необходимость сохранения определенной части урожая (до
10 %) для использования в качестве посадочного материала в сле-
дующем году;
- высокое содержание влаги в клубнях картофеля (до
75 %), что затрудняет хранение сырья, особенно при низких температурах, и делает нерентабельными его перевозки.
18
2.2. Строение и состав клубня картофеля
Клубни картофеля покрыты защитной кожурой из нескольких слоѐв омертвевших клеток, которые предохраняют внутренние слои живых растительных клеток от внешних факторов. В
этих клетках располагаются вакуоли (пузырьки, заполненные клеточным соком и окруженные полупроницаемой протоплазмой), в
которых свободно плавают зерна крахмала.
Химический состав клубней картофеля сильно различается
в зависимости от сорта, климатических условий, плодородия почвы, степени спелости и др. Средний состав клубней на 100 ч его
сырой массы представляется следующим: вода 76 %, сухие вещества 24 %. В благоприятных условиях вегетации при наличии влаги и достаточном количестве теплых дней крахмалистость картофеля достигает 25 - 27 %. Содержание крахмала повышается, если
летние месяцы теплые, а осадков в зоне возделывания картофеля
выпадает выше средней нормы.
Содержание крахмала в картофеле изменяется от поверхности к центру послойно (толщина каждого слоя 3,0 - 3,5 мм) в следующем порядке: 1-й – 14,0; 2-й – 23,7; 3-й – 24,7; 4-й – 23,9; 5-й –
23,0; 6-й – 21,3; 7-й (центр клубня) – 18,0 %.
Клубни среднего размера (60 - 100 г) обычно имеют наибольшую крахмалистость. Крупные клубни (110 г и более) и небольшие (менее 50 г) содержат крахмала меньше на 9 - 14 %.
В составе сухих веществ в клубне картофеля находятся:
крахмал (17 %), клетчатка, пектиновые вещества, пентозаны
(1,1 %), различные сахара (2,2 %), азотистые вещества (2,0 %),
минеральные соединения – зола (0,9 %), органические кислоты
(0,6 %), жиры (0,2 %).
Вода в клубне картофеля представлена в двух состояниях:
свободном и коллоидно-связанном. Соотношение этих фракций
составляет 78 : 22. Все растворимые соединения в клубне (различные сахара, соли, органические и неорганические кислоты,
азотистые вещества) находятся в свободной воде. Коллоидносвязанная вода имеет свойства, отличающиеся от ее обычного состояния: меньшая теплоемкость, пониженная температура замерзания, нет растворенных веществ.
19
Имеющиеся в составе картофеля клетчатка и пектиновые
вещества формируют каркас клубня и обеспечивают его механическую прочность. Они входят в состав клеточных стенок и являются цементирующим связывающим веществом. Содержание
клетчатки в клубне влияет на эффективность его механического
измельчения, потери крахмала в промытой мезге и его выход.
Важным с этой точки зрения является селекция сортов картофеля
с невысоким содержанием клетчатки – не выше 0,6 - 0,8 %.
В клубне картофеля имеются различные сахара, в основном
глюкоза, фруктоза и сахароза. Их содержание в здоровом свежем
картофеле не превышает 1,2 - 1,4 %. При пониженной температуре
хранения содержание сахаров возрастает в 2 - 4 раза, достигая 5 %
к массе картофеля. При обычном способе получения крахмала все
растворимые сахара, имеющиеся в клубне картофеля, переходят в
промывные воды и безвозвратно теряются.
Азотистые вещества картофеля состоят в основном из белковых соединений (около 60 %) и азота аминного, амидного и аммиачного (примерно 40 %). Общее содержание азотистых веществ в
картофеле от 0,8 до 4,2 % (в среднем 2,2 %). Много азотистых растворимых соединений находится в незрелом картофеле.
Белковые соединения представлены в основном в виде туберина, являющегося полноценным белком.
Повышенное содержание азотистых соединений в процессе
переработки картофеля отрицательно влияет на качество крахмала, при промывании мезги образуется пена, возникает слизистое
брожение, хлопья скоагулировавших белков затрудняют получение крахмала сортов экстра и высшего.
В составе сухих веществ картофеля минеральных соединений (золы) находится от 0,5 до 1,8 % (в среднем 0,9 %). Зола
представлена солями калия, магния, натрия, кальция с анионами
фосфорной, серной и хлористоводородной кислот. Растворимой
фракции золы до 75 % от ее общего содержания.
В картофеле присутствуют различные микроэлементы –
марганец, кобальт, никель, мышьяк, бор, медь, молибден, которые
регулируют в организме человека окислительные и обменные
процессы.
20
Содержание золы является одним из показателей качества
товарных сортов крахмала, поэтому при их получении необходимо в максимальной степени перевести эти примеси в промывные
воды.
В картофеле имеются различные органические кислоты, в
основном лимонная, щавелевая, молочная, яблочная, янтарная,
аскорбиновая. Их присутствие стабилизирует кислотность клеточного сока в интервале 30 - 40 см3 0,1 моль/дм3 раствора NаОН
на 100 г сырого картофеля, что соответствует рН 6,4 - 5,8.
Кислотность возрастает при хранении картофеля в неблагоприятных условиях, что снижает степень отделения примесей и
эффективность промывания сырого крахмала.
В составе картофеля имеются специфические соединения,
которые влияют на процессы получения крахмала. К ним относится глюкозид соланин – ядовитое вещество, вызывающее болезненное состояние у человека при содержании более 200 мг на
100 г картофеля. Содержание соланина возрастает в картофеле,
хранящемся при солнечном облучении (зеленая окраска).
Присутствие соланина в картофеле способствует образованию пены, что ухудшает качество крахмала.
В здоровом картофеле находится до 30 мг витамина С на
100 г сырой массы. Половина суточной потребности человека в
витамине С обеспечивается приемом 250 - 300 г вареного картофеля.
В картофеле, кроме того, имеются витамины группы В и каротиноиды, в которых содержится провитамин А.
2.3. Сорта картофеля, приемка и хранение
В России возделывается более 100 сортов картофеля, в том
числе иностранной селекции более 20. Возделываются сорта картофеля, различающиеся по срокам созревания: ранние достигают
состояние технической спелости через 60 дней после посадки,
среднеранние – через 60 - 80 дней, среднеспелые – через 80 -
100 дней, среднепоздние – через 100 - 120 дней, поздние – через
120 дней и более.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]