Клейстеризация крахмала

 

 

Осахаривание

Клейстеризация крахмала.

Разжижение и осахаривание крахмала.

 

Сбраживание

Контроль качества зрелой бражки.

Сбраживание периодическим способом осахаренного сусла.

Непрерывные схемы брожения в технологии спирта.

Поточный метод сбраживания крахмалистых материалов.

Головной чан бродильной батареи

Брожение и образование сивушного масла

Чистка и дезинфекция оборудования спиртового производства

Мойка оборудования

Расчет внутреннего змеевикового охладителя бродильного чана

Тепловой насос для охлаждения бродильного чана выносными теплообменниками

Машины и системы низкопотенциальной энергетики

Схемы непрерывных бродильных установок с элементами под вакуумом

Интенсификация непрерывного брожения сусла / бражки с применением вакуума

Ускорение непрерывного брожения рециркуляцией дрожжей

Влияние концентрации сухих веществ в исходном сусле на динамику накопления продуктов брожения

Теория непрерывного процесса перемещения жидкости в батарее сообщающихся сосудов

Оборудование для непрерывного брожения

Цена бродильного чана

Способы сбраживания. Расчет производительности бродильной батареи.

 

Клейстеризация крахмала

Клейстеризация крахмала определила его повсеместное использование в промышленности.

 

Несмотря на большое количество работ, в вопросе о механизме клейстеризации крахмала нет достаточной ясности. Некоторые исследователи предполагают , что при клейстеризации должен происходить распад больших молекул крахмала. Существует взгляд, что клейстеризация обязательно приводит к дезагрегации. Высказывается предположение, что механизм клейстеризации может быть вначале представлен химической реакцией между крахмалом и водой, в результате которой образуется амилопектин и амилоза, а затем - дальнейшим набуханием этих продуктов, т.е. образованием гидратов полисахаридов.

Горбачев считает, что процесс клейстеризации можно рассматривать как адсорбционное воздействие крахмала с водой и считает, чо клейстеризация возможна не только в воде, но и в других растворителях, обладающих более активным электроположительным полем, т.е. уменьшение температуры клейстеризации связано с возрастанием количества адсорбированной воды.

Исследования Николаева показали, что при клейстеризацим происходит уменьшение объема суспензии крахмала на 4,5%, что соответствует 0,029 см3 на 1 грамм крахмала. Уменьшение объема при клейстеризации зависит от концентрации крахмала в суспензии и при определенной концентрации перестает зависеть от количества воды (на единицу веса крахмала).

Кроит [62] рассматривает клейстеризацию как внутримицеллярное явление. До клейстеризации крахмальное зерно представляет собой систему, определенным образом построенную из отрицательно заряженных частиц, соединенных между собой определенными местами поверхности. Места соединения обладают способностью к взаимодействию с водой, ибо, по теории Кройта, вокруг них имеется оболочка, прочно связанной воды, будто бы препятствующая клейстеризации.

Клейстеризация, по Кройту, наступает в том случае, когда энергия взаимодействия гидрофильных участков крахмала значительно превысит энергию гидрофобных участков. В результате клейстеризации происходит ослабление связи между мицеллами и разрушение архитектоники (морфологии) зерна.

Теория Кройта была всесторонне подвергнута критике Назаровым [6, 7, 63], указавшим на упрощенность взглядов Кройта, не учитывающего ван-дер-ваальсовых сил к мостичных связей, а также разветвленности крахмала. Назаров, подробно иследовавший клейстеризацию крахмала термографическим методом, пришел к выводу, что при клейстеризации наступает скачкообразное изменение морфологической структуры крахмального зерна. Ослабление общей прочности крахмального зерна приводит к резкому увеличению набухаемости.

Рассмотрим подробнее отдельные теории клейстеризации.

Назаров [63] указывает, что Пейен в 1836 г. один из первых исследовал механизм гидратации, набухания и разрыва зерен крахмала.

Негели в монографии «Die Starkekorner», 100-летие которой отмечалось в 1958 г. [90], считал, что при клейстеризации происходит распад больших мицелл крахмала на меньшие.

Арциховский [7] указал на влияние величины крахмальных зерен на температуру клейстеризации. Он установил, что мелкие зерна клейстеризуются при более высоких температурах, чем крупные.

Лепешкин [56] полагает, что процесс клейстеризации должен состоять из двух стадий: химической реакции между полисахаридом крахмала и водой, в результате которой образуются амилопектин и амилоза, и набухания образовавшихся продуктов в воде. Он считает, что амилоза и амилопектин являются гидратами первоначальных полисахаридов крахмальных зерен.

По мнению Лепешкина, следует говорить не о температуре клейстеризации, а о времени, которое необходимо, чтобы при некоторой определенной температуре вызвать определенную фазу клейстеризации.

При нагревании (в термостате) крахмала с большим количеством воды (20-кратным) в течение 1,5—2 часов только часть крахмальных зерен теряет оптическую анизотропию. Для каждого зерна можно точно установить потерю анизотропных свойств, а затем построить кривые распределения, характеризующие образцы крахмала.

Вигель [88], основываясь на том, что крахмальное зерно обладает внешней оболочкой, почти индифферентной к воде, и внутренней, сильно набухающей частью, считает, что процесс клейстеризации состоит в набухании.

В процессе нагревания водной суспензии картофельного крахмала до 40—45°С не удается установить набухания. Между 50 и 60°С отдельные крахмальные зерна разрывают внешнюю оболочку и соединяются в студнеобразную структуру, а затем (при повышении температуры) происходит дальнейшее диспергирование крахмального зерна. Вигель полагает, что начало набухания зерен крахмала характеризует процесс клейстеризации и представляет собой самопроизвольный разрыв внешней оболочки зерна вследствие увеличения давления внутри зерна, т. е. клейстеризация по Вигелю, связана главным образом с механическими явлениями.

В результате разрыва внешней оболочки вода чисто механически проникает внутрь крахмального зерна. Содержащиеся в крахмале растворимые вещества растворяются, а нерастворимые — набухают. Разрыв внешней оболочки крахмальных зерен происходит в результате значительного давления внутри зерна, возникающего вследствие сдвига равновесия гетерогенного процесса превращения одной модификации с малым содержанием воды в модификацию с большим содержанием воды.

Говоря о зависимости между минимумом вязкости и процессом клейстеризации, Вигель указывает, что при определенной температуре вязкость суспензии крахмала начинает увеличиваться вследствие набухания крахмальных зерен.

Исходя из этих положений следует, что минимум вязкости будет при тем более низкой температуре, чем больше удельная набухаемость и количество суспендированного крахмала, что видно из следующих данных.

 

Концентрация суспензии в % Минимум вязкости при температуре в ° Концентрация суспензии в % Минимум вязкости при    . температуре в °
0,3 61,6 1,0 58,6-59,1
0,5 59,3 2,5 57 -57,8

  

Из приведенных данных следует, что минимум вязкости не является однозначной величиной, характеризующей зону клейстеризации.

Вигель установил, что картофельный крахмал, предварительно обработанный в течение 1—2 часов водой при температуре 50—55°, образует эластичный студень, а нативный крахмал, не подвергнутый предварительной обработке, образует вязкий клейстер.

Мейер [2] следующим образом представляет процесс клейстеризации крахмала.

При определенной температуре зерна крахмала начинают набухать, увеличиваясь в объеме. Степень набухания, как известно, зависит от температуры.

Неразветвленные молекулы амилозы, а также низкомолекулярная фракция амилопектина диффундируют из набухших крахмальных зерен, а основная фракция амилопектина образует трехмерные сетки. В результате этого процесса осмотическое давление внутри зерна заметно уменьшается и набухшие зерна сжимаются.

При набухании крахмала в ограниченном количестве воды оболочки зерен соприкасаются и склеиваются (образуется клейстер) и разделение их невозможно без соответствующего разрыва.

Мейер полагает, что образование крахмального клейстера не связано с электрохимическим характером компонентов крахмала, а также не зависит от содержания в них фосфора.

Макроскопический эффект сцепления он объясняет также тем, что в некоторые зерна крахмала проникают и другие оболочки, благодаря чему происходит запутывание частиц и образование прочной структурированной системы.

 

Было замечено, что клейстер из маисового и рисового крахмала образуется быстрее, чем из картофельного, что объясняется большей величиной молекул картофельного крахмала.

Катц [52] считает, что при клейстеризации крахмал переходит из исходной модификации в V-модификацию. Аналогичная V-модификация получается при осаждении крахмального клейстера или растворенного крахмала большим количеством спирта. Он полагает, что клейстеризация зависит от перехода в фазу, более богатую водой, а также от разрушения сопротивляющейся набуханию структуры роста. Катц указывает, что фосфорная кислота, имеющаяся в крахмале, не является существенным фактором, влияющим на процесс клейстеризации и объясняющим его, хотя и отмечает, что при клейстеризации, вероятно, освобождается часть фосфорной кислоты, способствующая постепенному изменению мицеллярной структуры.

При повторной клейстеризации, в результате которой значительно разрушается внутренняя структура крахмала, отмечена более низкая температура клейстеризации по сравнению с нативным крахмалом.

 

Температура клейстеризации в °С

Вид крахмала Нативный крахмал Повторная клейстеризация
Пшеничный 54-62 38-48
Картофельный 59—64 42—50

 

Горбачев [17] в основу теории клейстеризации крахмала положил адсорбционный процесс. Он считает, что крахмал обладает электроотрицательным силовым полем, активность которого ограничивается ионом водорода. При нейтрализации электролитами силового поля водородного иона повышается электроотрицательное силовое поле крахмала, приводящее к возрастанию его адсорбционной способности.

Положительный температурный коэффициент данной адсорбции Горбачев относит за счет уменьшения влияния ионов водорода.

Он отмечает изменение эффективной кислотности при клейстеризации за счет образования фосфорной кислоты, но не делает из этого выводов для объяснений происходящих при кластеризации явлений.

Горбачев считает, что клейстеризация возможна не только в воде, но и в других растворителях, обладающих активным электроположительным полем. Но здесь, как отмечает Назаров, также не учтена сложность строения крахмала, хотя явление адсорбции и имеет большое значение при клейстеризации.

Самец считает, что физико-химическое состояние крахмала обусловливается определенным способом связи электролитов с углеводами, образующими крахмал.

Основное значение, как полагает Самец имеет фосфорная кислота. Он также указывает, что в крахмальном зерне имеется и свободный от фосфора углеводный комплекс высшего порядка и что удаление фосфора должно сопровождаться разрушением мицеллы.

Назаров отмечает, что хотя зерна нативного крахмала относятся к категории студней, но они отличаются от обычных гелей, например агара, желатина, тем, что обладают так называемой структурой роста, т. е. рядом морфологических особенностей структуры, которая возникла в период образования и роста зерна в растении.

Подробно исследовав клейстеризацию крахмала термографическим методом, он пришел к выводу, что при клейстеризации наступает скачкообразное изменение морфологической структуры крахмального зерна. Клейстеризацию Назаров объясняет изменением способности крахмала к набуханию, которое в дальнейшем протекает обычным путем. Он указывает, что процесс набухания зерен крахмала в воде идет, по всей вероятности, одновременно с клейстеризацией, но увеличение набухания происходит после преодоления сопротивления так называемой структуры роста зерна, для разрушения которой требуется значительная энергия.

Автор подчеркивает, что температура клейстеризации не является температурой фазового перехода. Под температурой клейстеризации он понимает нижнюю температурную границу, при достижении которой происходит начало разрушения морфологической структуры зерна. Он справедливо замечает, что нельзя смешивать собственно набухание и клейстеризацию, хотя они, по всей вероятности, проходят еимбатно.

Кюнтцель и Донер [54] полагают, что при клейстеризации крахмала происходит плавление кристаллической части структуры роста, которое сопровождается деформированием молекул. Это предположение авторы объясняют также тем, что проведенные ими ультрамикроскопические исследования показали, что набухание при клейстеризации вызывает помутнение зерен без заметного изменения объема. Это явление, по предположению авторов, соответствует началу процесса плавления кристаллитов крахмального зерна, происходящего при температуре клейстеризации. Они считают, что при нагревании нитевидные молекулы крахмала образуют клубок, благодаря чему при охлаждении не возвращаются в кристаллическое состояние.

Дальнейшее повышение температуры вызывает еще большее разрыхление молекулярных клубков, в результате чего наступает клейстеризация и вода, проникая в молекулярные клубки, энергично взаимодействует с гидрофильными молекулами крахмала, что и обусловливает чрезвычайно большое набухание.

Скачкообразное возрастание электропроводности при клейстеризации авторы связывают с переходом в раствор веществ, содержащихся внутри зерна.

Они полагают, что внешняя часть оболочки вначале набухает, а затем остается нерастворенной, хотя распределение фосфора во всех частях зерна они принимают почти одинаковым.

Вследствие энергичной гидратации клейстеризация приводит к контракции системы, т. е. уменьшению объема крахмала и воды. Авторы указывают, что для клейстеризации крахмал должен содержать менее 20% воды.

Первая фаза клейстеризации, рассматриваемая как плавление кристаллических частей молекул крахмала, должна обладать отрицательным тепловым эффектом.

Вторая и третья фазы клейстеризации рассматриваются как гидратационный эффект, приводящий к экзотермической реакции (во второй фазе клейстеризации происходит гидратация деформированных молекул, а в третьей — гидратация в процессе плавления).

При определении теплоты клейстеризации Кюнтцель применил калориметрический метод и использовал следующую схему для объяснения процессов клейстеризации, слагающихся из процессов превращения и гидратации.

 

Влияние электролитов на процесс клейстеризации крахмала

На процесс клейстеризации крахмала, как указывалось выше, большое влияние оказывают электролиты.

Раковский [103] указывает, что крахмал слабо адсорбирует кислоты и значительно лучше адсорбирует щелочи.

Самец считает, что со щелочами крахмал образует гидрофильные комплексы.

Горбачев полагает, что набухание крахмала в растворах щелочей обусловлено не поглощением щелочи, которая не адсорбируется, а нейтрализуется, а возрастанием количества адсорбированной воды. Данные Горбачева противоречат исследованиям Раковского, показывающего, что щелочи хорошо адсорбируются крахмалом.

Действие различных веществ на клейстеризацию крахмала Горбачев разделяет на 2 группы:

1) активные клейстеризаторы — вещества, обладающие активными анионами (роданиды, йодиды, бромиды щелочных металлов), которые нейтрализуют силовое поле водородного иона молекулы крахмала и увеличивают тем самым электроотрицательное силовое поле крахмала, что повышает адсорбционную емкость крахмала;

2) фиксаторы — вещества, обладающие адсорбционно активным катионом или электроположительным полем, и препятствующие клейстеризации. При больших концентрациях они оказывают клейстеризующее действие.

Понижение температуры клейстеризации, как мы видели, связано с концентрацией электролитов. Было установлено, что в больших концентрациях электролита вследстве понижения осмотического давления в растворителе повышается температура клейстеризации. Кроит [62, 104], изучавший влияние электролитов на процесс клейстеризации, установил, что электролиты в больших концентрациях вызывают понижение температуры клейстеризации, а в малых концентрациях способствуют повышению ее и следуют правилу Щульца—Гарди. Это связано с тем, что малые добавки электролита способствуют уменьшению заряда и при этом ослабевают отталкивательные силы между соседними мицеллами крахмала. Исследования Назарова не подтверждают этого положения. Кроит считает также, что при больших концентрациях электролита процесс сводится к влиянию электролитов на снижение сольватации мицелл крахмала.

Действие электролитов связано не только с гидратацией, но и обусловлено, по-видимому, изменением, происходящим в связи с увеличением или уменьшением ассоциации молекул воды друг с другом.

Назаров обращает внимание на большую роль адсорбционных процессов, в результате которых происходят изменения величины притяже-

 

Периодический метод сбраживания осахаренного сусла


 


 


 

 

 

 

Яндекс.Метрика
Hosted by uCoz