Крахмал и переработка крахмала

В древние времена крахмал добывали из пшеницы и использовали в качестве добавки в лекарства и клея.

Затем этот основной осадок был высушен на солнце. Позднее наши предки аналогичным образом получали картофельный крахмал из тертого картофеля. В Европе крахмальная промышленность развивалась как вспомогательная отрасль сельского хозяйства. Использовались самые простые устройства, которые только в процессе индустриализации превратились в специальные обрабатывающие машины. Это позволило улучшить чистоту, выход продукции и структуру затрат.

История крахмала

ок. 3500 Г. ДО Н.Э.

Крахмал используется в качестве клея и разглаживающего средства для листьев папируса

ок. 200 Г. ДО Н.Э.

Письменная запись описания процесса получения крахмала из зерна из Греции и Египта

700 - 1300

Крахмал используется для осветления цвета и разглаживания при производстве бумаги.

1400

Крахмал служит в качестве гладильного средства для придания жесткости одежде.

1600

Крахмал служит в качестве гладильного средства для придания жесткости одежде.

1700

Крахмал добывается из кукурузы и картофеля в США

1770

Крахмальный клейстер используется для выделки пряжи

1811

Химическая модификация / осахаривание крахмала путем 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

Морщинистый горох

30-40

50-80

Рис

70

0-25

Ячмень

60-70

60-70

Картофель

10-20

20-28

Манипулированный генами картофель

10-20

0

Культурные растения с их примерным содержанием крахмала и амиломаиза

Пшеничный крахмал с низким содержанием белка извлекается для получения диетических питательных веществ (например, при коэлиакии). Codex alimentarius (пищевые стандарты ФАО/ВОЗ) определяет крахмал как безглютеновый, если содержание белка (глютена) в нем составляет менее 20 мг/кг. Современные методы анализа позволяют обнаружить остаточное содержание белка менее 5 мг/кг.

Крахмал состоит исключительно из глюкозы и является фактическим источником энергии для подавляющего большинства растений. Он образуется в результате фотосинтеза из глюкозы в качестве

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

 Глюкоза Крахмал

промежуточную стадию и откладывается в клубнях и семенах растений в виде крахмальных зерен. Тысячи молекул глюкозы соединяются друг с другом в спираль и образуют молекулу крахмала, которая, в свою очередь, встраивается в крахмальное зерно.

Ферменты определяют конфигурацию и структуру крахмальных зерен. Они могут образовывать длинную нить за счет гликозидной связи молекул глюкозы. Эта структура называется амиломайз. Если к нити прикреплены боковые цепи, она называется амилопектином.



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.

 

Амиломайз

Амилопектин

Йодосвязующая способность

20%

от 0 до 1 %

Цвет йодного комплекса

темно-синий

красно-фиолетовый

Стабильность раствора

нестабильный

стабильный

Эффективность загущения

низкая

высокая

Ретроградация; обратное развитие ранее склеенного крахмала

необратимый

обратимый

Образование геля/сшивание

сильная и быстрая

маленький и медленный

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.

© компания amixon GmbH

© компания amixon GmbH

Как бы вы хотели смешивать?

Периодическое в сравнении с непрерывное смешивание. Каковы преимущества и недостатки процессов?

Можно выделить три основных типа модификации

Физическое:

  • путем термической обработки, измельчения, предварительной желатинизации, роликовой сушки, экструзии или агломерации. Это лечение не обязательно должно быть заявлено для еды. В зависимости от желаемой холодной растворимости используется недорогая вальцовая сушка или более дорогая распылительная сушка. Последний способ обычно сочетается с агломерацией в псевдоожиженном слое, если крахмал должен обладать особенно хорошими мгновенными свойствами.

Химический:

  • Крахмал суспендируют в воде в емкости с мешалкой и после добавления небольшого количества кислоты или щелочи осторожно нагревают, не доводя до температуры желатинизации. После регулировки до определенного значения pH добавляется модифицирующий агент. После нейтрализации, промывки, фильтрации и сушки крахмал полностью меняет свои свойства. Если крахмал подвергается химическому преобразованию, деградации или обработке декстрином, этерификации, этерификации или окислению, то он должен быть заявлен в продуктах питания как добавка с номером Е или как модифицированный крахмал.
  • Если кристаллическая структура крахмальных зерен должна быть в значительной степени сохранена, несмотря на эффективную модификацию, может быть использован метод химического сшивания групп молекул крахмала с помощью подходящих гидроксилов, таких как этилен, пропиленоксид или дикарбоновая кислота. Это снижает растворимость крахмала, повышает температуру желатинизации и, в зависимости от степени сшивания, устраняет ретроградацию.

Ферментативный:

  • Ферментативный гидролиз крахмала - это высокоэффективный процесс, в ходе которого крахмал может быть осахаризирован для получения подсластителя. Так же как они могут организовывать и связывать молекулярные структуры, а также формировать молекулярные цепи и боковые цепи, ферменты могут расщеплять молекулы крахмала. В отличие от химического расщепления, ферментативно-каталитический гидролиз крахмала происходит медленнее, но и при более низкой температуре. Соответствующие ферменты могут быть получены из плесени, бактерий или поджелудочной железы крупного рогатого скота. После конверсии ферменты полностью вымываются из производного крахмала или деактивируются. Степень разложения крахмала может быть точно установлена, что позволяет получить большое количество продуктов (крахмальный сироп). Это не является обязательством по декларированию для данной формы модификации. В качестве альтернативы крахмал может быть расщеплен кислотой (кислотный гидролиз).
  • Таким способом можно эффективно получить мальтодекстрин, например, для приготовления растворимых напитков, пряностей, фруктов и мороженого. Крахмал суспендируют в воде с альфа-амилазой и медленно нагревают при медленном перемешивании. Для обеспечения наиболее полного ферментативного расщепления при различных температурах задается время перемешивания и выдержки. Затем суспензию промывают несколько раз, центрифугируют и сушат.
  • Особенно бережный и эффективный метод контактной сушки осуществляется в вакуумно-смесительной сушилке amixon®. Благодаря особо низким температурам и мягкому циркуляционному потоку высокая скорость сушки достигается чрезвычайно быстро.

© компания amixon GmbH

© компания amixon GmbH

Смеситель, реактор синтеза, вакуумная сушилка

Каковы типичные критерии для определения того, должна ли система иметь плоское дно или коническое дно?

Выделяют 3 важных типа модификации

Целостность нативного крахмала легко установить при микроскопическом наблюдении крахмальных зерен в поляризованном свете. Из-за двойного преломления зерна нативного крахмала выглядят радужными с темным крестом, в то время как зерна переработанного крахмала имеют однотонный вид без креста - очевидно, потому что их кристаллическая структура была разрушена.

Если крахмал нагревать в виде водной суспензии, то выше определенной температуры крахмальное зерно разрушается, набухание снова увеличивается и из зерна выходит амиломаиз. Этот процесс называется желатинизацией. Вязкость увеличивается, также как и прозрачность смеси крахмал/вода и ее электропроводность. Это структурно вязкий раствор, вязкость которого уменьшается тем больше, чем больше раствор перемешивается или сдвигается. В процессе охлаждения раствор осветляется, глюкозные цепи выравниваются параллельно и образуют новые водородные связи. В зависимости от типа крахмала образуется более или менее устойчивый гель.

Такое структурно-вязкое поведение прямо противоположно исходному состоянию. Влажный крахмал (суспензия воды в крахмале) является разжижающим средством. Чем выше напряжение сдвига, тем больше увеличивается вязкость. В особых случаях компоненты привода и инструменты для смешивания могут даже сломаться или пластически деформироваться из-за эффекта 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


Желатинизация крахмала имеет большое значение для различных промышленных применений

© компания amixon GmbH

© компания amixon GmbH

Вискограф" или "Rapid-Visco-Analyzer" обеспечивает четкую измерительную технику для сравнения характеристик отверждения различных крахмалов. Суспензию крахмала с водой нагревают и охлаждают при постоянном перемешивании. Сопротивление перемешиванию измеряется непрерывно и строится со временем.

Крахмальные суспензии иногда плохо текут, потому что их вязкость увеличивается при перемешивании крахмальной суспензии. С помощью реактора синтеза / вакуумной сушилки, показанной выше, вы можете готовить даже очень сложные составы. Идеальное смешивание, как правило, всегда возможно.

Вы можете модифицировать, смешивать, термически обрабатывать и термически сушить крахмал в различных формах под вакуумом. Вакуумная сушка работает особенно быстро, особенно при низких температурах.


Другими свойствами разжиженного крахмала являются текстура (слизистость) и мутность, образование пленки, гелеобразование и ретроградация. Независимо от того, где используется крахмал в пищевой промышленности, он должен быть безвкусным и улучшать конечное применение в интересах потребителя. Кроме того, оно должно положительно влиять на вкусовые качества, чтобы соответствовать соответствующему блюду.

  • начинка для торта должна быть холодного набухания и быстро готовиться, поддерживать сливочный вкус, но обладать длительной эластичностью и стабильностью формы при нарезании ломтиков торта.
  • детское питание, высушенное распылением, должно обладать хорошими растворимыми свойствами и подходящей жидкой консистенцией
  • Фруктовый десерт на основе молока или йогурт должен быть освежающим, охлаждающим, но ни в коем случае не липким или пушистым во рту, но, с другой стороны, он должен легко порционироваться и не капать в высокопроизводительной разливочной машине.
  • соус для гриля должен легко выдавливаться из бутылки и смачивать продукты на гриле толстым слоем с высокой вязкостью, несмотря на воздействие тепла, но при этом естественным образом раскрывать ароматы специй во рту во время жевания.
  • покрытие из хлебных крошек, посыпанных крахмалом или тестом для выпечки, должно равномерно покрывать продукт и прочно прилипать к нему, независимо от того, употребляется ли продукт сразу или сначала подвергается глубокой заморозке, упаковке и хранению.
  • порошок растворимого напитка должен быстро и без комков расходиться в жидкой фазе даже после длительного хранения
  • в многоступенчатом процессе псевдоожиженного слоя с помощью крахмала можно микрокапсулировать даже летучие или подверженные окислению жидкости.

 

Желатинизация крахмала является эндотермическим процессом - подобно тому, как кристаллы переходят в раствор. Таким образом, тепло должно подаваться соответствующим образом. В Германии большинство видов крахмала взаимозаменяемы, особенно если они используются в модифицированной форме. Картофельный крахмал обычно дороже зернового, поскольку клубни картофеля доступны только сезонно, а в процессе производства образуется мало побочных продуктов. В настоящее время предложение пшеничного крахмала увеличивается, поскольку пшеничная клейковина, в частности, приобретает все большее значение в качестве побочного продукта. Пшеничный глютен / пшеничный белок всегда был ценным побочным продуктом, который в сушеном виде поставлялся для хлебопекарной промышленности или в качестве корма для животных. Сегодня пшеничная клейковина также служит основой для заменителей мяса и стала сравнительно дорогой. Это делает извлечение крахмала из пшеницы все более интересным.

Общее потребление крахмала в Европе составляет около 12 миллионов тонн, с ростом примерно на 2% в год. В США рост составляет около 4%, в Южной Америке - около 4,5%, а в Азии - до 7% в год. Около 10% производимого в мире крахмала используется в химической промышленности, около 30% - в производстве бумаги и гофрированного картона, 30% - в пищевой промышленности и примерно столько же модифицируется или осахаривается для производства напитков и кондитерских изделий. Ожидается, что спрос на крахмал и его производные будет продолжать расти во всех промышленных секторах.

Если крахмал или производное крахмала должно поступать на рынок в виде порошка, то основной технологической задачей является разделение твердой и жидкой фаз. На первом этапе это делается механически в горизонтально вращающихся отшелушивающих центрифугах или вертикально вращающихся сепараторах. Разделение происходит из-за разной плотности воды и твердого тела. Затем следует этап термической сушки. В основном здесь используются конвективные сушилки, такие как проточные, кольцевые или размалывающие сушилки. Вода выводится горячим воздухом, при этом влажный крахмал пневматически завихряется и транспортируется. Термическая сушка является особенно затратным этапом процесса.

На этом этапе следует кратко упомянуть о вакуумной смеси-сушилке amixon®, когда речь идет о бережной сушке высококачественных производных, таких как глюкоза. Все поверхности аппарата нагреваются. Если вакуум отрегулирован до абсолютного давления 200 мбар, то вода испаряется уже при 60 °C. Поэтому тепловое напряжение чрезвычайно мало. Вертикальная конструкция имеет множество преимуществ, таких как особенно хорошая полная выгрузка и особенно мягкий поток товара при низкой скорости вращения.


https://youtu.be/gVzx8jOgFF0  and https://youtu.be/FavGACava3M


© компания amixon GmbH

© компания amixon GmbH

Вертикальные смесители

Сайт смесители amixon® показанные выше, предлагают множество преимуществ для пользователей.

Пищевая промышленность является основным фактором для применения и дальнейшего развития производных крахмала

  • в качестве добавок для продуктов быстрого приготовления
  • в качестве наполнителя таблеток для пищевых добавок
  • в качестве регулятора вязкости и добавки, повышающей мутность, для растворимых напитков
  • для повышения кремообразности при производстве десертов
  • для приготовления соусов для замороженных блюд быстрого приготовления
  • в качестве базового соединения для живицы при облагораживании ароматов и специй
  • для повышения водосвязывающей способности в колбасном и мясном производстве
  • в качестве связующего вещества в коммерческих кухнях и столовых
  • в качестве наполнителя для усилителей вкуса
  • в качестве добавки к сахару для покрытия частиц жиром
  • в качестве добавки для средств обработки муки и готовой к выпечке муки
  • в качестве кондиционирующего агента для покрытия хлебных крошек

Как многогранно использование крахмала и его производных в пищевой промышленности, так и в фармацевтической.

  • в качестве смазывающего порошка для медицинских перчаток
  • в качестве наполнителя для изготовления таблеток практического размера
  • в качестве покрытия и дезинтегранта для таблеток
  • в качестве базового соединения для медицинских присыпок и дезодорантов
  • в качестве носителя для адгезии медицинских активных ингредиентов
  • для разбавления косметических румян
  • в качестве разделительного агента и смазки для бесперебойной работы таблеточных прессов
  • в качестве порошкообразной смеси для постоянного отделения липких частиц друг от друга
  • как регулятор вязкости для кремов, эмульсий, мазей и даже аэрозолей

Широкий спектр производных крахмала также используется в перерабатывающей и тяжелой промышленности.

Например

  • для производства флокулянтов и пеногасителей для очистки воды
  • в производстве смазочно-охлаждающих жидкостей для туннельного и земляного бурения
  • для регулировки текучести бетона для бетононасосов
  • для кондиционирования формовочных смесей в литейной промышленности
  • для разглаживания хлопчатобумажных нитей для обеспечения безизносного ткачества в текстильном производстве
  • в качестве клея для почтовых марок и гофрированного картона
  • для производства древесных клеев

В подавляющем большинстве случаев крахмал и производные крахмала в порошкообразной форме являются незаменимыми добавками для производства порошковых смесей для вышеуказанных продуктов. Смеситель определяет процесс. Он должен обеспечивать идеальное качество смешивания за короткое время - без нагрева смеси - которое невозможно улучшить на практике. Этот процесс усложняется, если в рецептуре участвуют жидкие добавки, что обычно и происходит. Крахмал и его производные обычно очень мелкодисперсные, пылящие, набухающие и плохо текучие. Будучи продуктами органического происхождения, они также умеренно или особенно подвержены взрыву пыли. Часто они имеют тенденцию прилипать к инструментам для перемешивания и к стенкам смесительной камеры.

Если крахмал и производные крахмала используются в качестве носителей для жидких ароматических веществ, живиц, пищевых красителей, экстрактов для выпечки, масел и жиров, то требуется большой опыт, чтобы быстро и однородно обеспечить смачивание без остатков жидкости, так как самой важной целью должно быть как можно более низкое потребление энергии. Чем холоднее общая смесь выходит из смесительной установки, тем лучше будет работать последующее наполнение, хранение, сохранение качества и консистенция свежести. Приготовление блюд с ароматом и вкусом, продуктов быстрого приготовления, супов, дипов и соусов часто является многоэтапной операцией. Специфические эффекты покрытия предназначены для заключения и защиты жидких активных ингредиентов. Существует серьезный конфликт целей, заключающийся в получении максимально возможной загрузки жидкого материала, с одной стороны, и наилучшей текучести готовых смесей, с другой.

Бесспорно, технология смешивания является законодателем новых технологических и гигиенических стандартов. В этом отношении результаты смешивания почти всех других типов смесителей могут быть воспроизведены и, как правило, улучшены. В рамках разработки продукции часто приходится создавать новые технологические последовательности. У нас есть идеально сконструированные прецизионные смесители, которые можно использовать в экспериментальных целях.

Они имеют вертикально установленные спиралевидные перемешивающие инструменты и могут использоваться с широким диапазоном степеней заполнения. После нескольких оборотов смесительная спираль создает идеальную однородность практически для всех типов сухих, влажных и мокрых твердых веществ и паст. Вертикальные - смесители зарекомендовали себя во всем мире и известны своей особо гигиеничной конструкцией с коэффициентом разгрузки до 99,98%. Большие инспекционные двери изготавливаются с использованием процессов Clever-Cut® и OmgaSeal®. Они постоянно герметичны, абсолютно газонепроницаемы и не имеют застойных зон, допускают как ручную сухую, так и автоматическую влажную чистку; особенно важна быстрая и тщательная сушка. На пилотной установке имеется более 30 различных вертикальных спиральных смесителей и размеров от 10 литров до 2000 литров порционного объема. День испытаний на пилотной установке дает человеку, проводящему испытания, высокий уровень знаний и первоклассные результаты испытаний, которые могут быть перенесены на широкий диапазон размеров.


© компания amixon GmbH

© компания amixon GmbH

Что побудило вас разработать такой конический порошковый смеситель типа KS?

© компания amixon GmbH

© компания amixon GmbH

Блендер/гомогенизатор Gyraton® для больших партий сыпучих материалов (сухих, влажных или взвешенных)

Автор:
Людгер Хиллеке, член правления компании amixon GmbH