Крахмалосодержащее сырьё

Все виды крахмалсодержащего сырья, пригодного для промышленной переработки с целью извлечения крахмала, по массовой доле сухих веществ (СВ) можно подразделить на две основные группы:

корнеклубнеплоды и стебельные растения -20 - 30% СВ: картофель, батат, маниок, саговая пальма и др.;

зерновые и зернобобовые - 85 - 90% СВ: наиболее богатые крахмалом кукуруза, сорго, пшеница, ячмень, рожь, рис, горох и др

Технологические свойства крахмалоносов в значительной мере определяются их структурой, химическим составом и анатомическим строением. Особенности строения плодов и семян крахмалоносов оказывают решающее влияние на организацию и ведение технологических процессов извлечения крахмала. Например, наличие цветковых пленок у зерновок риса и ячменя обусловливает введение в технологический процесс операции шелушения.

Кроме того, сложная форма зерновок злаковых растений, различие структур и химического состава их оболочки, эндосперма и зародыша определяют развитие процессов внешнего теплообмена и массообмена, внутреннего переноса влаги, тепла и накопления биологически активных веществ (витаминов, микроэлементов, аминокислот, липидов). Более развитая внешняя поверхность зерна обеспечивает высокую скорость поглощения влаги из окружающей среды, особенно зародышем.


Структура, химический состав и технологические признаки крахмалсодержащего сырья

Наиболее характерный представитель клубнеплодов - картофель, структура клубня которого в разрезе показана на рис. 3.1А. Наружный слой 1 - кожица - состоит из клетчатки, под которой находится тонкий пробковый слой клеток, наполненных высохшей плазмой 2, затем расположен слой тонкостенных клеток с протоплазмой и за ними - клетки, наполненные протоплазмой и плавающими в ней зернами крахмала 3. Стенки клеток состоят в основном из клетчатки.

Из корнеплодов основным видом сырья для промышленной переработки является маниок (имеющий также названия тапиока или кассава - в зависимости от страны, где он произрастает). Структура корнеплода маниока такая же, как и у картофеля, но имеет и существенные отличия: во-первых, форма его - вытянутая, стрелообразная, и по размерам он превышает клубень картофеля в 5-10 раз, во-вторых, наружная кожица корнеплода менее прочная, чем у картофеля, поэтому сравнительно легко снимается при мойке, и, в третьих, средний размер зерен крахмала маниока в 2 раза меньше среднего размера зерен крахмала картофеля [29, 76, 101].

Задача технологического процесса извлечения крахмала из корнеклубнеплодов - разорвать стенки клеток, высвободить зерна крахмала и отмыть их от клеточной жидкости. Структура корнеплода и зерновки Рис.1. Структура корнеплода и зерновки

А - фрагмент разреза клубня картофеля
Б - продольный разрез зерна пшеницы
1 - кожица; 2 - пробковый слой;
3 - клетки с протоплазмой и зернами крахмала ;
1 - плодовая оболочка; 2 - семенная оболочка;
3 - алейроновый слой; 4 - эндосперм; 5 - зародыш

Реализовать задачу извлечения крахмала из зернового крахмалсодержащего сырья гораздо труднее, что обусловлено его более сложной структурой (рис.3.1,Б). Снаружи зерновка имеет плодовую / и семенную 2 оболочки, за которыми следует алейроновый слой 3, затем эндосперм 4, составляющий основную часть зерна и содержащий основную часть крахмала. Зародыш 5 имеет особое строение и состав, но практически не содержит крахмала [39, 56].

Зерно пшеницы представляет собой твердое, коллоидное, капиллярно-пористое тело, включающее различные вещества. Крахмал имеет частично кристаллическую структуру, так же, как и клетчатка, которая содержится в значительном количестве в оболочках зерна. Белковые вещества обладают аморфной структурой. В эндосперме зёрна крахмала также заключены в клетки, но, в отличие от корнеплодов, они прочно скреплены белковыми веществами, не поддающимися механическому отделению [39, 57].

Особенностью зерновок кукурузы и сорго является наличие относительно крупного зародыша, занимающего более 1/3 площади продольного разреза зерна, с массовой долей до 14% от общей его массы.

В зародыше зерна кукурузы, так и сорго находится более 30% жира, или до 5% от общей массы зерновки, в то время как в зародыше зерна других зерновых культур массовая доля жира не превышает 2%.

Разрезы зерновок характерных типов крахмалоносов



Рис. 3.2. Разрезы зерновок характерных видов крахмалоносов:
1 - зародыш; 2 - эндосперм; 3 - плодовая оболочка; 4 - цветковая пленка

Для зерновок риса и ячменя характерно наличие цветковой плёнки (колосковой чешуи), прочно связанной с эпикарпом и семенной оболочкой.

Из зернобобовых видов крахмалоносов наиболее распространен горох; к особенностям его зерновки относятся: высокое содержание белков (до 30%), толстая семенная оболочка - до 14% общей массы и потому сравнительно низкая массовая доля крахмала - до 55%.

Существуют и другие перспективные для промышленной переработки в условиях России крахмалоносы, к которым можно отнести просо, гречиху, амарант. При этом необходимо учитывать не только высокую массовую долю крахмала в сырье, но и его химический состав (табл. 3.1). Для создания безотходных технологий крахмалов не менее важно определить ценность и значимость каждого из компонентов крахмалсодержащего сырья, их соотношение и формы связи с зернами крахмала для последующего ее разрушения и извлечения крахмала.

Адгезионная форма связи крахмальных зерен с другими веществами присуща в основном протеинам зерновых культур. В присутствии воды гемицеллюлозы способны образовывать коллоидные вещества, которые адсорбируются на зернах крахмала. Для оценки технологических свойств крахмалсодержащего сырья необходимо изучить состав протеинов, их взаимодействие с зернами крахмала в растворах, их способность образовывать углеводно-белковые комплексы с некрахмальными полисахаридами, что особенно характерно для зерна ржи и пшеницы.

Белки зерновых культур по воздействию на них различных растворителей подразделяются на:
· альбумины, растворимые в дистиллированной воде;
· глобулины, не растворимые в чистой воде, но растворяющиеся в солевых растворах;
· проламины, растворимые только в спирте;
· глютелины, не растворимые ни в воде, ни в спирте, растворяются только в слабых щелочах и кислотах.


Особое место среди белков зерна пшеницы занимают композиционные белки, составляющие его клейковину, которая включает в основном глютенин и глиадин. Глютениновая часть белка клейковины служит ее основой, а глиадиновая - склеивающим началом.

Технологическую сложность извлечения крахмала представляют также некрахмальные полисахариды - гемицеллюлозы и пентозаны. Гемицеллюлозы составляют почти половину всех компонентов клеточных стенок оболочек зерна. Пентозаны растворимы в воде и при разрушена образуют слизи, увеличивающие вязкость мучных суспензий, что также затрудняет извлечение крахмала. Образование слизей на основе пентозанов присуще не всем видам зернового сырья, а только ржи, ячменю, овсу.

Важная характеристика крахмалсодержащего сырья - интенсивность поглощения влаги при замачивании. Движущей силой такого процесса является градиент концентрации влаги в отдельных частях зерна, осмотическое давление, капиллярный эффект и некоторые биологические факторы. Белки, крахмал, клетчатка, пентозаны обладают разной способностью к влагопоглощению, что приводит к концентрации напряжений в слое и сдвигу одних частей зерна относительно других; в результате образуются микротре­щины, которые заполняются водой. Таким образом, влага в зерно проникает путем медленного диффузионного переноса, так и скачкообразно.

Для извлечения крахмалов гравитационным способом решающую роль играют форма и размер зерен крахмала, определяющие скорость их осаждения. Размер зерен крахмала, как и их морфология, зависит от ботанического вида крахмалоноса и находится в широком интервале: от 0,5 до 175 мкм, форма же их - самая разнообразная (см. рис.2.13).

Таблица 3.2. Геометрические характеристики основных видов крахмалсодержащего сырья [29,56,57,76,101]

Фракционный состав зерен крахмала также разнообразен, однако определенной зависимости его от вида культур не прослеживается, хотя для картофеля и маниока отмечается более широкий интервал размеров зерен крахмала по сравнению с зерновыми и зернобобовыми культурами.

К важным показателям, характеризующим технологические свойства крахмалсодержащего сырья, относятся также геометрические размеры как корнеклубнеплодов, так и зерна (табл.). Эти показатели в технологии крахмала определяют в основном методы подготовки, очистки, измельчения сырья и соответственно параметры рабочих органов моек, ситовых аппаратов, измельчителей и других машин.

Для разрушения структуры крахмалсодержащего сырья с целью извлечения крахмала используют химические, тепловые и механические способы воздействия на него, но при этом крахмальные зерна не должны разрушаться и клейстеризоваться. Иначе говоря, процесс извлечения крахмала должен вестись при температуре ниже начальной температуры клейстеризации, которая в зависимости от вида крахмалсодержащего сырья варьируется в широком диапазоне.

Судя по различиям температурных интервалов клейстеризации, свойства крахмалов разных видов значительно различаются. Так, температуры начала и завершения клейстеризации крахмала разнятся на 5...15°С, что размером и строением зерен, так и составом полисахаридов крахмала.

Температурные интервалы клейстиризации крахмалов различных видов Рис.3.3. Температурные интервалы клейстеризации крахмалов различных видов

Технологические свойства крахмалсодержащего сырья К технологическим свойствам крахмалсодержащего сырья относятся показатели его природных особенностей (признаков), обусловливающих поведение сырья в производственном процессе, к которым относятся:

крахмалистость - относительное содержание крахмала в сырье, основной технологический признак; пленчатость, характеризуемая наличием у зерновок цветковой пленки, что требует дополнительной технологической операции по её снятию; форма связи крахмальных зерен с другими компонентами струк­туры сырья: свободная жидкостная или твердая адгезионная, определяющая группу сырья и методы разрушения его макроструктуры;

способность белков к образованию устойчивых клейковинных агломератов, что обусловливает необходимость введения дополнительной операции по выделению клейковины;

слизеобразующая способность водорастворимых некрахмальных полисахаридов в суспензиях разрушенного сырья, что определяет их вязкость и параметры процесса их разделения;

дисперсность зерен крахмала, их размеры и форма, определяющие скорость их осаждения и характеристики разделяющих аппаратов; крупность плодов и семян, определяющая условия предваритель­ного дробления крупноплодного и крупносеменного сырья; масличность сырья, характеризуемая относительным содержанием жиров, что обусловливает целесообразность введения дополнительной операции по их выделению; температура клейстеризации крахмала, ограничивающая предел нагревания сырья для его разрушения и извлечения крахмала.

Классификация крахмалсодержащего сырья

На основе выявленных технологических признаков крахмал­содержащего сырья для промышленной переработки на крахмал предложена следующая его классификация.

Определение: к крахмалсодержащему сырью относятся те виды растений, в органах которых крахмал содержится в количестве, достаточном для их промышленной переработки на крахмал и крахмалопродукты (в соответствии с ГОСТ 24583-81).

По содержанию воды и форме связи крахмальных зерен основные виды крахмалсодержащего сырья подразделяются на две группы:

Корнеклубнеплоды и стеблевые растения Зерновые и зернобобовые Содержание воды > 50% картофель, батат, маниок, саговая пальма Форма связи крахмала с компонентами микроструктуры сырья - жидкостная Содержание воды < 20% кукуруза, сорго, пшеница, рожь, ячмень, овес, рис, горох, амарант Форма связи крахмала с компонентами микроструктуры сырья - адгезионная Технологические признаки основных видов крахмалсодержащего сырья По дисперсному составу зерен крахмала

крупнозернистые: 15 -150 мкм = картофель, батат, пшеница, рожь, кукуруза, ячмень

среднезернистые: 5 - 35 мкм = маниок, саговая пальма

мелкозернистые: 3 - 10 мкм = рис, амарант

По содержанию клейковинных белков

клейковинообразующие: более 10% = пшеница, рожь, ячмень

По содержанию слизеобразующих веществ

слизеобразующие: более 7% = рожь, ячмень, овес

По наличию цветковой пленки

пленчатые =ячмень, рис, овес

По содержанию масла в зародыше

маслосодержащие: более 3% = кукуруза, сорго

По начальной температуре клейстеризации крахмала низкотемпературной: 50...55 С = пшеница, ячмень

средней: 55...60°С = картофель, маниок, рожь

высокотемпературной: 60...70°С = кукуруза, сорго, рис



На основе технологических свойств сырья определяют и технологии переработки для извлечения крахмала, однако существуют общие закономерности и условия построения технологического потока, обусловливающие введение дополнительных технологических операций для отдельных видов сырья в производстве как крахмала, так и ценных побочных продуктов пищевого и кормового назначения.

Сравнительная экономическая оценка видов крахмалсодержащего сырья для промышленной переработки на крахмал Крахмал - продукт международной торговли; его стоимость на мировом рынке определяется в основном стоимостью сырья: наиболее высокая цена картофельного крахмала, затем кукурузного, соргового, маниокового. В этой сзязи производство крахмала в каждой стране ориентировано на местное сырье, что диктуется также независимостью сельскохозяйственной политики каждой страны. Расширение международной торговли этим продуктом в определенной мере способствовало, как уже отмечалось, вовлечению в производство в последние десятилетия, помимо традиционных, новых видов крахмалсодержащего сырья: в Европе - пшеницы и ячменя; в Южной Америке - сорго; в Азии - риса.

Для России эта тенденция представляет особый интерес, так как отечественная крахмалопаточная промышленность ориентирована только на два вида сырья: картофель и кукурузу. Оба вида обладают существенными недостатками: переработка картофеля носит сезонный характер (2-3 месяца в году), что обусловливает низкий коэффициент использования основных фондов; урожаи товарной кукурузы (преимущественно в южной зоне осени) незначительны, и в результате крахмалопаточные предприятия вынуждены перерабатывать импортную кукурузу, что негативно отражается а экономике производства продукции.

Для определения потенциальных видов крахмалсодержащего сырья необходимо проведение глубокой сравнительной оценки зерновых культур, относящихся к крахмалоносам, с привлечением современных методов исследований.

Сущность системного подхода к оценке крахмалсодержащего сырья состоит в том, чтобы учитывать не только стоимость сырья и издержки производства на его переработку, но и возможность и целесообразность повышения ценности побочных продуктов за счет биохимической, химической и механической обработки сырья и полупродуктов в технологическом потоке производства крахмала.

Производственные затраты на выработку 1 тонну товарного крахмала зависят от расхода сырья; они минимальны при переработке кукурузы и максимальны - при переработке картофеля. Выгодное положение среди всех видов крахмалсодержащего сырья занимает кукуруза, что обусловлено ее высокой крахмалистостью (до 75%), так и наличием в ней таких ценных компонентов, как глютен и масло.