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

 

 

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]

 

 

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.

 

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.