Крахмал и его получение

вторское право amixon®, копирование, перепечатка, перевод на другие языки - даже частично - только с письменного разрешения amixon GmbH, Paderborn.

В древности крахмал добывали из пшеницы, добавляли в лекарства и использовали в качестве клейстера.

Этот слой на дне затем высушивали на солнце. Аналогичным способом позднее стали получать картофельный крахмал из истертого картофеля. В Европе индустрия производства крахмала развилась в качестве сельскохозяйственного сопутствующего промысла. Работали самыми простыми приспособлениями, которые были модернизированы в специальные технологические станки только в ходе индустриализации. Это позволило улучшить степень чистоты, выход продукции и структуру затрат.

История крахмала

прим. 3500 лет до нашей эры

Крахмал используется в качестве клеящего и сглаживающего вещества для листов папирусной бумаги

прим. 200 лет до нашей эры

Письменная передача описания процесса добычи крахмала из зерна из Греции и Египта

700 - 1300

Крахмал используется для осветления и сглаживания при производстве бумаги

1400

Крахмал служит в качестве вспомогательного средства для глажки белья с целью придания жесткости элементам одежды

1600

Крахмал является базовым порошком для пудры, косметики и краски для волос

1700

В США крахмал добывают из кукурузы и картофеля

1770

Крахмальный клей используется для отделки ниток

1811

Химическая модификация / осахаривание крахмала за счет кислотного катализа

1890

В Германии действуют примерно 250 производств, изготавливающих крахмал

сегодня

В Германии ок. 2600 человек работают в промышленности по производству крахмала на 14 фабриках. Производство крахмала в Европе составляет примерно 12 млн тонн.


В Европе в качестве сырья для добычи крахмала используются картофель, пшеница и кукуруза, тогда как за пределами Европы крахмал добывают также из полевых культур — маниока и риса. В товарном продукте «крахмал» (C6H10O5)n в настоящее время допускается содержание максимум 3 % посторонних веществ. Так, на международном рынке крахмала было принято правило, что содержание неочищенного протеина в зерновом крахмале может составлять макс. 0,58 % от сухой массы, а в картофельном крахмале — 0,13 %.


 

Среднее содержание крахмала в весовом проценте

Доля амилозы в крахмале


Пшеница

60-70

20-26

Кукуруза

62-70

0-85

Горох мозговой

30-40

50-80

Рис

70

0-25

Ячмень

60-70

60-70

Картофель

10-20

20-28

Генетически модифицированный картофель

10-20

0

Примерная доля крахмала и амилозы в технических культурах

Пшеничный крахмал с низким содержанием протеина добывается для диетических пищевых продуктов (например, при целиакии). Кодекс Алиментариус (свод пищевых международных стандартов) определяет крахмал как безглютеновый, если содержание протеина (глютена) составляет менее 20 мг/кг. Сегодняшние способы анализа позволяют обнаружить содержание остаточного протеина в объеме менее 5 мг/кг.

Крахмал состоит исключительно из глюкозы и является собственно энергоносителем большинства растений. Он формируется в результате фотосинтеза с глюкозой в качестве

n C6H12O6 – (n-1) H2O   –>    (C6H10O5)n

  глюкоза                                  крахмал

промежуточного этапа и депонируется в клубнях и семенах растений в форме крахмальных зерен. Тысячи молекул глюкозы связываются между собой в сеть в форме гамма-спирали и образуют молекулу крахмала, которая в свою очередь заключена в крахмальное зерно.

Ферменты определяют строение и структуру крахмального зерна. Они могут обеспечивать гликозидную связь молекул глюкозы в длинную нить. Такое строение называется амилозой. Если на нити образуются боковые цепи, тогда говорят об амилопектине.



Интерес представляет молекулярное сходство молекул крахмала и целлюлозы. Крахмал — энергоцентр растений, в то время как целлюлоза формирует клетку растений — с впечатляюще высокой прочностью и эластичностью, если вспомнить древесину или 4-метровые стебли конопли.

undefinedundefined

В зависимости от того, имеется ли аномерная гидроксильная группа сахара A в положении α (= внизу) или β (= вверху), формируется α-гликозидная связь или β-гликозидная связь.

Числа 1,4 и 1,6 указывают на соответствующий углеродный атом в молекуле глюкозы.

Крахмал возникает из α-связи.

Каждая молекула глюкозы имеет различные боковые группы. Эти гидроксильные группы соседних молекул движутся совместно. Вода отделяется. Так образуется связь между двумя молекулами глюкозы. Грануляты состоят из тысяч гликозидно соединенных молекул глюкозы.

 

Целлюлоза возникает из β-связи.

Когда противоположные гидроксильные группы связываются друг с другом, возникает линейная нить глюкозных единиц. Такую форму молекулы мы встречаем в целлюлозе, стабилизаторе всех растений.

Сходство структуры молекулы целлюлозы и крахмала

Зерна крахмала различаются по размеру в зависимости от типа крахмала. Диаметр частиц крахмала в картофеле может превышать 100 мкм, в пшенице он составляет от 2 до 35 мкм, в кукурузе — от 5 до 25 мкм, а в амаранте всего 0,5–3 мкм. В пшеничном крахмале наблюдается бимодальное распределение крахмальных зерен (частотное распределение с 2 максимумами). Оно полезно для производства, с одной стороны, сверхчистого A-пшеничного крахмала (20–35 мкм), а с другой стороны, мелкозернистого B-пшеничного крахмала (2–10 мкм) с более высокой степенью загрязнения.

Крахмал, в зависимости от происхождения, обычно показывает долю амилозы от 14 % до 27 %, а также долю амилопектина от 73 % до 86 %. Специальная селекция растений дает такие типы крахмала, которые содержат до 99 % амилопектина или до 85 % амилозы.

 

Амилоза

Амилопектин

Йодосвязующая способность

20%

от 0 до 1 %

Цвет йодного комплекса

темно-синий

красно-фиолетовый

Стабильность растворения

нестабильный

стабильный

Способность загустения

низкая

высокая

Ретроградация; обратное развитие ранее склеенного крахмала

необратимый

обратимый

Клейстеризация / образование сетчатых молекул

сильная и быстрая

слабая и медленная

Отличительные признаки обоих компонентов крахмала: амилоза и амилопектин

В холодной воде крахмал не растворяется, но крахмальные зерна могут легко набухать с обратимым эффектом, увеличиваясь в объеме до 28 %. При удалении воды из крахмала набухание исчезает.

Природный крахмал может хорошо связывать воду или влажные материалы, но преимущественно не на длительный срок и также не при изменениях температуры. Поэтому крахмал модифицируется для ускорения, управления или стабилизации его клейстеризации, для придания жесткости жидкостям и стабилизации их консистенции независимо от воздействия тепла и холода, а также при перемешивающем движении.

Модифицированный крахмал может показывать гидрофильные, но также и гидрофобные свойства. Так свойства крахмала адаптируются под потребности производителей. В пищевой отрасли это, в частности, область производства продуктов быстрого приготовления и хлебопекарная промышленность с такими технологическими этапами как расстойка, выпекание, обжарка, шоковая заморозка, размораживание, воздействие реакций Майяра.

Выделяют 3 важных типа модификации

Физический:

  • Путем тепловой обработки, измельчения, предварительной клейстеризации, контактной пленочной сушки, экструдирования или агломерации. Такая обработка продуктов питания не подлежит декларированию. В зависимости от желаемой растворимости в холодной воде применяется экономичная контактная пленочная сушка или же более дорогая распылительная сушка. Последняя зачастую комбинируется с комкованием в псевдоожиженном слое, если крахмал должен обладать очень хорошей растворимостью.

Химический:

  • Крахмал взвешивается в воде в смесителе и после добавления незначительного количества кислоты или щелочи осторожно нагревается, не достигая температуры клейстеризации. После выверки характерного pH-значения добавляется модифицирующий реагент. После нейтрализации, промывки, фильтрации и сушки крахмал получает полностью измененные свойства. Если крахмал химически преобразуется, расщепляется, декстринируется, этерифицируется, переэтерифицируется или окисляется, тогда его следует декларировать в продуктах питания как добавку с E-кодом или маркировать как модифицированный крахмал.

  • Если, несмотря на эффективную модификацию, кристаллическая структура крахмальных зерен по большей степени сохранилась, можно применять методику химического образования групп сетчатых молекул крахмала с помощью подходящей гидроксильной группы, например, этилена, окиси пропилена или дикарбоновой кислоты. За счет этого снижается растворимость крахмала, повышается температура клейстеризации и в зависимости от сетчатости ограничивается ретроградация.

Ферментативный:

  • Ферментативное гидролизование крахмала — это высокоэффективный метод, с помощью которого крахмал можно осахарить в подсластитель. Точно так же, как ферменты организуют и формируют молекулярные структуры, образуют молекулярные цепи и боковые цепи, ферменты могут и расщеплять такие молекулы крахмала. Ферментативное гидролизование крахмала происходит в отличие от химического расщепления медленнее, но и при незначительном нагревании. Соответствующие ферменты можно добывать из плесневых грибов, бактерий или поджелудочных желез крупного рогатого скота. После реакции обмена ферменты без остатка вымываются из производного крахмала или деактивируются. Степень расщепления крахмала можно точно отрегулировать, так что доступно большое количество продуктов (глюкозный сироп). Обязанность декларирования для этой формы модификации отсутствует. В качестве альтернативы можно также расщеплять крахмал с помощью кислоты (кислотный гидролиз).

  • Таким способом можно эффективно добывать мaльтодекстрин, например, для быстрорастворимых напитков, приготовления пряностей, фруктовых заготовок и мороженого. Крахмал взвешивается в воде с помощью альфа-амилазы при медленном перемешивании и медленно нагревается. Определенное время перемешивания и выдержки зависит от различных уровней температуры, что должно способствовать по возможности полному ферментативному расщеплению. Затем суспензия несколько раз промывается, центрифугируется и высушивается.

  • Очень бережный и эффективный способ контактной сушки происходит в вакуумном смесителе-сушилке amixon®. Высокая степень сушки очень быстро достигается при очень низких температурах и мягком потоке циркуляции.

Сохранность натурального (нативного) крахмала можно легко подтвердить, рассмотрев крахмальные зерна при поляризованном свете под микроскопом. Под действием двойного преломления нативные крахмальные зерна переливаются, проявляя темные кресты, в то время как обработанные крахмальные зерна предстают однотонными без крестов — очевидно, потому что их кристаллическая структура нарушена.

Если нагреть крахмал в виде водной суспензии, с определенной температуры крахмальное зерно начнет разрушаться, набухание усилится и амилоза выйдет из зерна. Этот процесс называют клейстеризацией. Повышается вязкость, так же, как и прозрачность смеси крахмала и воды, а также увеличивается ее электрическая проводимость. Речь идет о структурно-вязком растворе, чья вязкость настолько уменьшается, насколько сильнее раствор перемешивается или рассекается. Во время охлаждения раствора он очищается, глюкозные цепи выстраиваются параллельно и формируют новые водородные связи. В зависимости от типа крахмала формируется более или менее стабильный студень.

Эта структурно-вязкая характеристика точно противоположна изначальному состоянию. Влажный крахмал (суспензия из воды и крахмала) является дилатентным. Чем выше напряжение сдвига, тем сильнее вязкость. В особых случаях компоненты привода и смесительные элементы даже могут сломаться или подвергнуться пластической деформации из-за блокировки.

Тип крахмала

Температура клейстеризации [°C]

Способность к набуханию (во сколько раз)

Картофель

56 - 66

1 000

Кукуруза

75 - 80

24

Пшеница

80 - 85

21

Рис

61 - 78

20

Восковидная кукуруза

63 - 72

64

Клейстеризация крахмала имеет большое значение для различных промышленных применений

Если необходимо сравнить характеристики клейстеризации различных типов крахмала, можно воспользоваться наглядной измерительной техникой в виде «вискографа Брабендера» или «экспресс-анализатора вязкости». Во время этой процедуры суспензия из крахмала и воды нагревается при постоянном перемешивании и затем снова охлаждается. Сопротивление перемешиванию измеряется непрерывно и заносится в точечную диаграмму.


Диаграмма клейстеризации трех различных типов крахмала

Другие характерные свойства разжиженного крахмала — это текстура (слизистость) и мутность, образование пленки, клейстеризация и ретроградация. Независимо от областей применения крахмала в пищевой промышленности он должен быть нейтральным на вкус и в итоге улучшать конечный продукт для потребителя. Кроме того, он должен положительно сказываться на вкусовых ощущениях от соответствующего блюда.

  • масса для покрытия тортов должна быть набухающей в холодном виде и быстро изготавливаемой, должна поддерживать сливочный вкус, но при резке торта должна длительное время сохранять эластичность и форму;

  • высушенное распылением питание для детей грудного возраста должно обладать хорошей растворимостью и иметь подходящую жидкую консистенцию;

  • фруктовые десерты на основе молока или йогурты должны чувствоваться во рту освежающими, охлаждающими, но ни в коем случае клейкими или ворсистыми, при этом с другой стороны должны быть обеспечены хорошая дозируемость в высокопроизводительном фасовочном аппарате и отсутствие подтеканий;

  • соус для гриля должен комфортно вытекать из бутылки, а блюда, приготовленные на гриле, должны покрываться толстым слоем при сохранении высокой вязкости, несмотря на воздействие тепла, но во рту во время жевания пряные ароматы должны быть естественными;

  • посыпанная крахмалом панада или кляр должны равномерно покрывать приготавливаемые продукты и хорошо прилипать. Причем неважно, будет ли блюдо подано к столу сразу или сначала подвергнуто глубокой заморозке, упаковано и убрано на хранение;

  • растворимый порошок для приготовления напитков должен даже после длительного хранения быстро и без комков в жидкой фазе растворяться в жидкости;
  • в многоступенчатом кипящем слое, даже летучие или окисляющиеся жидкости могут быть микрокапсулированы крахмалом.



Ретроградация зачастую является нежелательной. Ранее связанная вода снова высвобождается с задержкой по времени. Студни могут разжижаться. Такие процессы будут особенно заметны при изменении температуры, например, при охлаждении после приготовления или оттаивании замороженных товаров. Нежелательную ретроградацию можно сократить за счет использования модифицированного крахмала или добавления подходящих эмульгаторов.

Клейстеризация крахмала происходит эндотермически — подобно тому, когда в раствор попадают кристаллы. Следовательно, в соответствующих случаях нужно подводить тепло. В Германии большинство типов крахмала являются взаимозаменяемыми; особенно если они используются в модифицированном виде. Картофельный крахмал зачастую дороже зернового крахмала, потому что клубни картофеля доступны только сезонно, и при изготовлении получается меньше сопряженных видов продукции. В настоящий момент предложение пшеничного крахмала увеличивается, потому что, в частности, все большее значение приобретает пшеничная клейковина в качестве сопряженного продукта. Пшеничная клейковина / пшеничный белок всегда был ценным сопутствующим продуктом, который в сухом виде стал доступен для хлебопекарной промышленности или для питания животных. Сегодня пшеничная клейковина служит также в качестве основы для продуктов, заменяющих мясо, но при этом она стала сравнительно дорогой. Это повышает интерес к получению крахмала из пшеницы.

Общее потребление крахмала в Европе составляет примерно 12 млн тонн, причем наблюдается прирост около 2 % в год. В США прирост составляет прим. 4 %, в Южной Америке — прим. 4,5 %, а в Азии даже 7 % в год. Примерно 10 % производимого в мире крахмала используется в химической промышленности, примерно 30 % — в сфере производства бумаги и гофрокартона, 30 % — в пищевой промышленности и примерно столько же модифицируется или осахаривается для производства напитков и сладостей. Считается, что потребность в крахмале и его производных будет и дальше повышаться во всех сферах промышленности.

Если крахмал или его производные должны поставляться на рынок в виде порошка, возникают большие технологические сложности в разделении твердой и жидкой фаз. На первом этапе это происходит механически в горизонтально вращающихся шелушильных центрифугах с ножевым съемом или вертикально вращающимися сепараторами. Разделение осуществляется на основании различающейся плотности между водой и твердым веществом. Затем следует этап термической сушки. Здесь зачастую применяются конвекционные сушилки, например, прямоточные сушилки, кольцевые сушилки или также сушилки с размолом. Вода выносится горячим воздухом, причем влажный крахмал завихряется и подается пневмооборудованием. Термическая сушка — это очень затратный этап процесса.

Здесь следует кратко упомянуть вакуумный контактный смеситель-сушилку amixon®, если речь идет о бережной сушке ценных производных, например, глюкозы. У аппарата нагреваются все поверхности. Если настроить вакуум на 200 мбар абсолютного давления, то вода будет испаряться уже при температуре 60 °C. Поэтому термическая нагрузка очень низкая. Вертикальная конструкция имеет много преимуществ, например, очень хорошее удаление остатков и очень бережный поток материала при низкой циклической частоте. 


https://youtu.be/1z4z1F2G5Xs и https://youtu.be/3ram8uBjQcw


Пищевая промышленность — это главная отрасль применения и дальнейшей разработки производных крахмала

  • в качестве добавок для пищевых продуктов быстрого приготовления; 
  • в качестве наполнителя для таблеток для пищевых добавок;
  • в качестве регулятора вязкости и добавки, повышающей мутность, для растворимых напитков;
  • для повышения кремообразности при изготовлении десертов;
  • для кондиционирования соусов для готовых блюд глубокой заморозки;
  • в качестве базовой массы для олеорезинов при рафинировании ароматизаторов и пряностей;
  • для повышения водопоглотительной способности при обработке колбас и мяса;
  • в качестве загустителя на фабриках-кухнях и в столовых;
  • в качестве наполнителя для усилителей вкуса;
  • в качестве добавки для сахара для создания оболочки вокруг частиц с жиром;
  • в качестве добавки для хлебопекарных изделий и пекарных смесей;
  • в качестве кондиционирующего средства для панады.

Насколько многогранно крахмал и его производные используются в пищевой промышленности, настолько многообразно они применяются и в фармацевтической отрасли:

  • в качестве смазывающего порошка для медицинских перчаток;
  • в качестве наполнителя для придания таблеткам удобного размера;
  • в качестве покрытия и дезинтегранта для таблеток;
  • в качестве базовой массы для медицинских присыпок и дезодорантов;
  • в качестве носителя для адгезии медицинских активных ингредиентов;
  • для растягивания помады;
  • в качестве разделительных и смазывающих веществ для обеспечения бесперебойной работы таблеточных прессов;
  • в качестве массы для напудривания, чтобы отделять друг от друга клейкие частицы;
  • в качестве регулятора вязкости для кремов, эмульсий, мазей и даже аэрозолей.

Самые разные производные крахмала используются даже в обрабатывающей и тяжелой промышленности.

Примеры:

  • для изготовления коагулянтов и пеногасителей для водоочистки;
  • при изготовлении смазочно-охлаждающих жидкостей для прокладки туннелей и бурении почвы;
  • для регулировки текучести бетона для бетонных насосов;
  • для кондиционирования формовочного песка в литейной промышленности;
  • для сглаживания хлопчатобумажных нитей, чтобы можно было добиться износостойкости при изготовлении текстиля;
  • в качестве клеящего вещества для почтовых марок и гофрoкартона;
  • для изготовления древесного клея;
  • в качестве сглаживающего и кондиционирующего средства при изготовлении бумаги.

 

В большинстве случаев крахмал и его производные применяются в порошкообразном виде в качестве незаменимых добавок для изготовления смесей порошков для указанных выше продуктов. При этом смеситель имеет решающее значение для всего процесса. Он должен в короткие сроки без нагрева смешиваемых материалов обеспечивать идеальное качество смеси, которое практически невозможно будет сделать еще лучше. Этот процесс осложняется, если в рецепте присутствуют жидкие добавки, как зачастую и случается. Крахмал и его производные, как правило, очень тонкодисперсные, пылящие, застойные и плохо текучие. В качестве продуктов органического происхождения они к тому же являются умеренно или даже сильно взрывоопасными в пылевидном состоянии. Часто они имеют склонность прилипать к смесительным элементам и стенкам смесительной камеры.

Если крахмал и его производные служат в качестве носителей для жидких ароматизаторов, олеорезинов, пищевых красителей, пекарских экстрактов, масел и смазок, они должны быстро и гомогенно обеспечивать прекрасное смазывание. Потому что самая важная цель должна заключаться в том, чтобы удерживать расход энергии на максимально низком уровне. Чем холоднее общая смесь на выходе из смесительной установки, тем лучше для фасовки, хранения, поддержания качества и свежести консистенции в дальнейшем. Часто в области подготовки ароматизаторов и вкусовых веществ, производства продуктов быстрого приготовления, супов, дипов и соусов речь идет о многоэтапных процессах. Специальный эффект создания оболочки должен заключать в себя и защищать жидкие вещества. При этом имеется большой конфликт целей: сохранить максимально высокую загрузку жидкости с одной стороны и наилучшую текучесть готовых смесей с другой.

Несомненно, компания amixon GmbH является законодателем трендов в сфере новых технологических и гигиенических стандартов. Она способна воспроизводить результаты смешивания почти всех других серий смесителей, а зачастую даже улучшать их. Часто в процессе разработки продукции приходится создавать новые технологические процессы. Для пробных испытаний компания amixon GmbH располагает идеально сконструированными прецизионными смесителями.

Они оснащены вертикальными спиральными смесительными элементами и могут использоваться при различных уровнях заполнения. После нескольких оборотов спираль смесительного механизма создает идеальную однородность для почти любых видов сухих, влажных и сырых твердых веществ и паст. Смесители amixon® признаны во всем мире и известны тем, что они имеют конструкцию, идеально отвечающую гигиеническим стандартам, и показывают степень опорожнения вплоть до 99,98 %. Большие инспекционные дверцы изготовлены по принципу Clever-Cut® и OmgaSeal®. Они обеспечивают длительное уплотнение, являются полностью газонепроницаемыми и не имеют мертвых зон, допускают в равной степени как ручную сухую, так и автоматическую влажную очистку, причем большое значение имеет быстрая и тщательная сушка. В опытном цеху amixon® установлены более 30 различных спиральных смесителей в типоразмерах для партий от 10 до 2000 л. День испытаний в опытном цеху amixon® дает специалистам, проводящим испытания, знания и первоклассные результаты, которые можно переносить на самые разные типоразмеры.

Смеситель amixon KoneSlid® для очень эффективного увлажнения
© by amixon®

Все компоненты смесителя amixon® выполнены на собственном высокоэффективном штучном производстве в Падерборне с высокой степенью автоматизации.

Автор: Ludger Hilleke, член правления amixon GmbH

вторское право amixon®, копирование, перепечатка, перевод на другие языки - даже частично - только с письменного разрешения amixon GmbH, Paderborn.