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.
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.
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.
Таблица 1. Химический состав основных видов крахмалсодержащего сырья
Компонент | Корнеклубнеплод, % к общей массе | Зерновые и зернобобовые, % к СВ | |||||||
картофель | маниок | кукуруза | сорго | ячмень | рожь | пшеница | рис | горох | |
Вода | 75 | 70,3 | - | - | - | - | - | - | - |
Крахмал | 18,5 | 21,5 | 67-76 | 58-76 | 56-68 | 57-66 | 58-76 | 64-77 | 50 |
Протеины | 2,1 | 1,1 | 9-13 | 10-14 | 11-13 | 7-13 | 10-25 | 8,7 | 25-32 |
Клетчатка | 1,1 | 1,1 | 2,5-3 | 1,5-3,5 | 1,9-6,3 | 22-2,8 | 22-33 | 9,4 | 5-7 |
Пентозаны | 0,8 | 4-4,5 | 2,1 | 9-12 | 9-11 | 5-8 | 1,5 | - | |
Сахара | 0,4 | 5,1 | 2-3,5 | 3-5 | 3-5 | 3-6 | 32-43 | 3,6 | - |
Жиры | 0,2 | 0,4 | 4,5-7 | 3-6 | 1,7-2,2 | 1,7-22 | 1,7-2,3 | 2,0 | 13-2,9 |
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]
вид сырья | линейные размеры | Объём, мм3 | Площадь поверхности,мм2 | ||
Длина | ширина | толщина | |||
Кукуруза | 5,5-13,5 | 5-11,5 | 2,5-8 | 140-260 | 80-145 |
Картофель | 10-200 | 10-80 | 10-60 | 900-15·105 | до 50·1 05 |
Маниок | 100-500 | 30-100 | 30-100 | 900- 60·1 05 | до 90·1 05 |
Пшеница | 4,2-8,6 | 1,6-4 | 1,5-3,8 | 19-42 | 40-75 |
Рожь | 5-10 | 1,4-3,6 | 1,2-3,5 | 10-30 | 30-45 |
Ячмень | 7-14,6 | 1-5 | 1,4-4,5 | 20-40 | 35-60 |
Рис | 5-12 | 2,5-4,3 | 1,2-2,8 | 12-35 | 30-55 |
Сорго | 2,6-5,8 | 2,4-5,6 | 2-5 | 50-85 | 60-95 |
Горох | 4-10 | 3,7-10 | 3,5-10 | 114-320 | 150-270 |
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
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.
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
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.
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.