ПРОИЗВОДСТВО КРАХМАЛА

Основные виды крахмалсодержащего сырья и стоимость их переработки.

Технологический поток производства крахмала кукурузы, пшеницы мокрым способом.

Структура, свойства, классификация нативных крахмалов.

Технологические схемы производства крахмала.

Научно-техническая концепция развития производства крахмала.

Избирательное разрушение структуры крахмалсодержащего сырья. Замачивание вместо дробления

Фракционирование крахмала.

Глубокая комплексная переработка зерна пшеницы на предприятиях спиртовой / алкогольной промышленности.

Комплексная переработка зерна пшеницы на спирт с одновременным производством глюкозного сиропа и глютена.

Производство крахмала и глютена от компании Альфа-Лаваль.

Технология пшеничного крахмала и глютена от ВНИИ крахмалопатоки

Методы определения количества и качества клейковины в пшенице.

Комплексная переработка зерна ржи на крахмал и спирт

Технология кукурузного крахмала

Производство крахмалопродуктов из кукурузы на спиртовых заводах

Технология картофельного крахмала

Отходы кукурузо- и пшеничнокрахмального производства

Аппаратура для утилизации отходов производства крахмала и получения сухой биомассы

Использование экстракта кукурузы и пшеницы.

Выпарные Установки для выпаривания продуктов гидролиза крахмала.

Выпарные установки ВУ для сгущения кукурузного экстракта.

 

ПРОИЗВОДНЫЕ ОТ КРАХМАЛА и ИХ ПРИМЕНЕНИЕ


Глюкозоизомераза и ее применение

Анализ использования рабочего времени

Глюкозо-фруктозные сиропы ГФС взамен сахара и солода в производстве пива

Кукурузные сиропы с высоким содержанием фруктозы на рынке альтернативных подслащивающих средств.

Технология высоко-фруктозных сиропов от компании Фогельбуш

Производство глюкозного сиропа и глютена

 

 

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ КРАХМАЛСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ И СТОИМОСТЬ ИХ ПЕРЕРАБОТКИ

 

 

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.3.1. 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].

Аналогичное строение зерновок имеют и другие злаки, но с существенными отличительными признаками. Структура наиболее характерных зерновок - кукурузы, риса и сорго - приведена на рис. 3.2 [101].

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 3.1. 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, мм

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 (см. рис.2.11).

К важным показателям, характеризующим технологические свойства крахмалсодержащего сырья, относятся также геометрические размеры как корнеклубнеплодов, так и зерна (табл.3.2). 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 (рис.3.3) [89]. 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

 

 

В табл.3.3 представлены основные виды крахмалсодержащего сырья и их технологические признаки, которые определяют его технологические свойства.

 

Таблица 3.3 Технологические признаки основных видов крахмалсодержащего сырья

По дисперсному составу зерен крахмала

крупнозернистые: 15 -150 мкм

 

 

среднезернистые: 5 - 35 мкм

 

мелкозернистые: 3 - 10 мкм

картофель, батат, пшеница, рожь, кукуруза, ячмень

 

маниок, саговая пальма

 

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

 

средней: 55...60°С

 

высокотемпературной: 60...70°С

пшеница, ячмень

 

картофель, маниок, рожь

 

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.

На рис.3.4 представлены экономические данные по переработке на крахмал как основных видов крахмалсодержащего сырья - картофеля и кукурузы, так и потенциальных источников - пшеницы, ржи, ячменя, гороха, отличающихся повышенным содержанием белковых веществ.

 

Основными показателями для сравнения явились рыночные цены 1999 году.

картофеля - 3,0; кукурузы - 3,0; ржи - 2,7; ячменя - 2,5; пшеницы - 2,9; гороха - 4,8.

Расход сырья на 1 тонну товарного крахмала для современных технологий в среднем составил, тонн:

картофеля - 7, кукурузы - 1,6, ржи - 2,5, ячменя - 2,86, пшеницы - 2,3, гороха - 2,5.

 

Производственные затраты на выработку 1 тонну товарного крахмала зависят от расхода сырья; они минимальны при переработке кукурузы и максимальны - при переработке картофеля.


 

 

 

Рис.3.4. Сравнительная диаграмма экономических показателей переработки различных видов сырья на крахмал:

1 - производственные затраты на выработку 1т товарного крахмала;

2 - стоимость сырья на 1 тонну крахмала;

3 - стоимость реализации побочных продуктов;

4 - себе­стоимость 1 тонны товарного крахмала за вычетом стоимости побочных продуктов

 

 

При разработке и применении прогрессивных технологий, предусматривающих полное использование всех компонентов сырья, в первую очередь белков и жиров, сравнительная оценка видов крахмалсодержащего сырья значительно изменяется. Несмотря на увеличение производственных затрат на обработку побочных продуктов, потребительская стоимость их настолько высока, что в несколько раз превышает дополнительные затраты на их получение. Такими ценными побочными продуктами являются: при переработке кукурузы – глютен и кукурузное масло, пшеницы – сухая клейковина, гороха – белковый изолят.

Таким образом, критерием сравнительной оценки при выборе вида крахмалсодержащего сырья для производства крахмала будет минимальная себестоимость его 1т Cmin учитывающая стоимость реализации побочных продуктов D и увеличение производственных затрат Δ А на их выработку:

С = А + B·Z + (ΔА - D),

Где А – производственные затраты на выработку 1 тонны крахмала,

В – расход сырья на 1 тонну крахмала,

Z – цена 1 тонны сырья.

Приведенные, на рис.3.4 экономические показатели переработки различных видов сырья, несмотря на существенные различия между ними, свидетельствуют о том, что все виды сырья конкурентно способны, за исключением картофеля, стоимость которого на производство 1 т крахмала более чем в два раза превышает стоимость других видов сырья. Именно по этой причине объемы мирового производства картофельного крахмала стабилизировались, и правительства стран, производящих картофельный крахмал, субсидируют в различных формах до 40% стоимости картофеля, направляемого на промышленную переработку.

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.

 

Назад, на главную страницу

 

 

 

 

 
Hosted by uCoz