Молекулы крахмала являются весьма реакционноспособными соединениями, они активно взаимодействуют с ионами металлов, кислотами, поверхностно-активными и другими веществами. Это позволяет модифицировать молекулы крахмала, изменять их гидрофильные свойства, параметры клейстеризации и студнеобразования, а также реологические характеристики студней. При различных видах модифицирования крахмалы могут претерпевать следующие превращения: расщепление (деполимеризация) с сохранением или без сохранения зернистой структуры; потеря зернами первоначальной и приобретение новой структуры; рекомбинация структуры полисахаридных цепей в результате трансглюкозилирования; появление новых функциональных групп; образование простых и сложных эфирных связей за счет взаимодействия оксигрупп глюкозных остатков с соответствующими реагентами; сополимеризация сахаридов крахмальных фракций с другими мономерами, приводящая к образованию цепей сополимеров и блоксополимеров; образование поперечных связей (сшивок) между полисахаридными цепями крахмала. Промышленное разделение крахмала на крахмальные фракции осуществляют: при помощи образования комплексов с полярными органическими соединениями, методом фракционного осаждения, методом кристаллизации без добавления комплексообразователей, а также при помощи гидродинамического разделения. В последнее время методами генной инженерии научились получать гибридные растения с уникальной комбинацией ДНК-последовательностей, способствующей образованию амилозного или амилопектинового крахмала в растительных клетках. Клейстеры амилозы при высушивании образуют тонкие, эластичные, прозрачные, жиростойкие прочные плёнки и покрытия, обладающие различной растворимостью в воде. Амилозный крахмал используют для приготовления съедобной плёнки и покрытий, а также желейных изделий. Амилопектиновый крахмал используют для стабилизации салатных приправ, соусов и кремов. Производство расщепленных крахмалов осуществляется в химических реакторах с мешалкой и подогревом. При этом используют различные кислоты, ферменты или окислители. Такая обработка приводит к снижению молекулярной массы, значительному уменьшению вязкости клейстеров, повышению реакционной способности. Эти модифицированные крахмалы растворяются в воде при нагревании, стабилизируют, загущают различные пищевые системы, обладают повышенной студнеобразующей способностью и могут быть использованы при высокой концентрации в жидкой фазе. Их можно применять в качестве студнеобразователей и загустителей как отдельно, так и в сочетании с желатином, пектином, агаром и другими гидроколлоидами. Кроме того, расщепленные крахмалы применяются для шлихтования основы хлопчатобумажной пряжи, для поверхностной проклейки бумаги, для производства мелованной и других видов бумаги, для обогащения руд флотационным методом, а также в быту. Сахаристые крахмалопродукты: патоку крахмальную, различного углеводного состава (низкоосахаренную до 34% редуцирующих веществ (РВ), карамельную 34–44% РВ, высокоосахаренную более 44% РВ, мальтозную более 1 моль мальтозы и менее 1 моль глюкозы), глюкозу, фруктозу, глюкозные, глюкозо-фруктозные и фруктозные сиропы также можно отнести к расщепленным крахмалам. Получают сахаристые крахмалопродукты методом кислотного, кислотно-ферментативного, а также ферментативного гидролиза крахмала. Гидролитическое расщепление крахмала предусматривает проведения: клейстеризации, ферментативного разжижения и осахаривания. Клейстеризацию проводят в результате повышения температуры. Для разжижения используют соляную или серную кислоту или амилолитический фермент: α-амилазу, а для осахаривания – амилолитические ферменты: глюкоамилазу и β-амилазу. При получении глюкозо-фруктозных и фруктозных сиропов, а также фруктозы после ферментативного расщепления крахмала дополнительно проводят реакцию изомеризации с использованием глюкоизомеразы. Сахаристые крахмалопродукты находят широкое применение, главным образом, в хлебопекарной и кондитерской отрасли пищевой промышленности. К расщепленным крахмалам также относят декстрины, которые получают в результате сухой термической обработки в присутствии химических агентов (кислота, щелочь или квасцы) или без них. В процессе такой обработки значительно снижается молекулярная масса полисахаридов и появляется возможность повышать концентрацию их растворов до 50–60%. В пищевой промышленности декстрин используют при производстве замороженных десертов, йогуртов, сыров, супов, соусов, начинок для пирогов, теста, глазури. Расщепленные крахмалы также получают в результате влаготермомеханической обработки методом экструзии или высушиванием клейстера на вальцовой сушилке. Они хорошо набухают и частично растворяются в холодной воде, образуя высокомолекулярные дисперсии. В пищевой промышленности их используют для стабилизации влажности и структуры конфет помадного типа, кремов, зефиров, для загущения фруктово-ягодных начинок, улучшения крахмальных форм для отливки конфет, для изготовления сухих смесей быстрого приготовления (супов, соусов, майонезов, пудингов, десертов, киселей, напитков), для производства сухих смесей мороженого и загустки кисломолочных продуктов, для улучшения качества хлеба и теста длительного хранения, для повышения качества макаронных изделий, для производства мясных и рыбных изделий. Замещенные крахмалы получают в химических реакторах с мешалкой и подогревом, проводя реакцию этерификации при определенных условиях (рН среды, температуре, времени обработки). При использовании окиси этилена и/или пропилена получают оксиалкилированные крахмалы, а монохлоруксусной кислоты – карбоксиметилированные крахмалы. Для получения фосфатных крахмалов применяют водорастворимые фосфатные соли орто-, пиро или триполифосфорной кислоты, а ацетатные крахмалы путем введения ацетилирующего агента: ледяной уксусной кислоты, уксусного ангидрида, кетена, винилацетата, смеси уксусного ангидрида с уксусной кислотой, пиридином, диметилсульфоксидом и водным раствором щёлочи. Замещенные крахмалы широко применяются в пищевой промышленности. Они хорошо загущают продукты, стабилизируют их свойства во времени, поэтому эти виды крахмала используют в качестве загустителей пюреобразных супов, детских питательных смесей, соусов и подлив, подвергающихся замораживанию и оттаиванию. Являясь полиэлектролитами, эфиры крахмала хорошо эмульгируют водно-жировые системы, поэтому их применяют в производстве майонезов с пониженным содержанием яичного порошка. Кроме этого, данные крахмалы применяют в хлебопечении и при производстве консервированных продуктов. Для получения поперечно-связанных или сшитых крахмалов нативный крахмал в химических реакторах с мешалкой и подогревом обрабатывают веществами, молекулы которых способны реагировать с двумя и более гидроксильными группами, в результате чего образовывать поперечную связь. При получении поперечно-связанных крахмалов используют: хлорокись фосфора или тримета фосфат натрия, адипиновую кислоту, глицерин, эпихлоргидрин, 2,3-дибромпропанол, тримета-фосфат натрия, линейные смешанные ангидриды уксусной и двух- или трёхосновных карбоновых кислот, винилсульфон, диэпоксиды, цианурхлорид, гексагидро-1,3,5-трисакрилоил-s-триазин, гексаметиленди-изоцианат, 2,4-толуолди-изоцианат, N,N-метиленбисакриламид, N,N-бис(гидроксиметил)этилен-мочевина, фосген, триполифосфат, смешанные ангидриды угольной и карбоновой кислот, имидазолы угольной и многоосновных карбоновых кислот, имидазолевые соли многоосновных карбоновых кислот, альдегиды, диальдегиды и др. Сшитые крахмалы используют в пищевой промышленности при производстве концентратов супов, соусов, бульонов, для придания заданной структуры мясным, рыбным, овощным консервам, термообрабатываемым молочным продуктам, для приготовления напитков, пудингов майонезов, мороженного, низкокалорийного масла, маргарина, для придания устойчивости пищевым продуктам к замораживанию – оттаиванию. За последние годы в мире и в Республике Беларусь наметился общий подъем производства и потребления крахмала и его производных. Данная тенденция связана прежде всего с ростом производства модифицированных крахмалов, вызванным интенсивным развитием индустрии «быстрого питания». Производство модифицированных крахмалов на отечественных предприятиях крахмало-паточной промышленности практически отсутствует. В период существования СССР на Веселовском крахмальном заводе был налажен выпуск традиционного и квасцового декстрина, а также разработана и внедрена технология производства окисленного картофельного крахмала с высокой студнеобразующей способностью с применением перекиси водорода и сернокислого железа. Сейчас на заводе производится небольшое количество крахмала растворимого, крахмала картофельного окисленного пищевого, крахмалов «Амилоацетат» и «Оксиамил», а также декстрина. Однако технологии, используемые на Веселовском крахмальном заводе, разработаны сотрудниками Всероссийского научно-исследовательского института крахмалопродуктов без права передачи другим производителям. Крахмал модифицированный «Амилацетат» производится путем ацетилирования суспензии картофельного крахмала уксусной кислотой в щелочной среде. Применяется в качестве стабилизатора, студнеобразователя, загустителя в производстве пищевых продуктов, а также в других областях промышленности. Крахмал картофельный модифицированный «Оксиамил» производится путем окисления крахмальной суспензии перекисью водорода в присутствии катализатора – железа сернокислого 7-водного. Крахмал картофельный модифицированный растворимый вырабатывается путем обработки водной суспензии крахмала соляной кислотой при температуре 49–50оС. Растворимый крахмал используется в качестве индикатора в химических лабораториях, медицинской промышленности и в других отраслях народного хозяйства. Декстрин картофельный кислотный производится путем термической обработки крахмала в присутствии катализатора при температуре 145–160оС. Крахмалы «Амилацетат», «Оксиамил» и крахмал картофельный модифицированный растворимый производятся попеременно на одном и том же оборудовании с использованием различных реактивов. Таким образом, в Беларуси на сегодняшний день отсутствуют отечественные, оригинальные технологии получения модифицированных крахмалов. В РУП «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по продовольствию» разработана технология производства крахмальной патоки различного углеводного состава (низкоосахаренной, карамельной, высокоосахаренной и мальтозной) методом кислотно-ферментативного гидролиза крахмала. Основными технологическими стадиями этого производства являются: подготовка 38–40% крахмальной суспензии к кислотному разжижению; кислотное разжижение: нейтрализация; охлаждение и корректировка рН; ферментативное осахаривание; инактивация ферментов; механическое фильтрование на дисковых фильтрах; выпаривание в двух корпусной выпарной установке; адсорбционная очистка с помощью активного угля; контрольное фильтрование на фильтр-прессах; уваривание в однокорпусном вакуум-аппарате до 78% сухих веществ; охлаждение, хранение и розлив. Данная технология внедрена на ОАО «Краснобережский крахмало-паточный завод». Разрабатывается способ физической модификации крахмала с применением низкотемпературной экструзии без дополнительного увлажнения. Получение модифицированного крахмала предусматривает следующие последовательно осуществляемые операции: подготовку крахмала к экструзии, загрузку, термомеханическое воздействие на крахмал методом низкотемпературной экструзии, приемку, измельчение, просеивание, магнитную очистку и упаковку. Экструзионные крахмалопродукты нашли свое применение: · в производстве картофелепродуктов на ОАО «Машпищепрод»; · в производстве майонезов на ОАО «Гомельский жировой комбинат»; · в качестве компонентов рецептуры хлеба на КУП «Минскхлебпром», Хлебозавод №3; · в производстве полуфабрикатов мясных рубленых в лабораторных условиях РУП «Институт мясомолочной промышленности»; · в качестве основы для поверхностной проклейки бумаги, а также в композиции древесностружечных плит в лабораторных условиях кафедры химической переработки древесины УО «Белорусский государственный технологический университет»; · в литейном производстве в качестве стабилизаторов формовочных смесей на РУП «Минский тракторный завод» «Минский автомобильный завод» и УП «Минский завод автоматических линий им. П.М. Машерова».-
В заключение хотелось бы отметить, что в настоящее время сотрудники центра по продовольствию продолжают исследования по разработке технологий модифицированных крахмалов. Сотрудниками центра проводятся исследовательские работы по разработке технологии получения катионных крахмалов для целлюлозо-бумажной промышленности. Предложен способ получения катионных крахмалов с использованием в качестве модифицирующего (катионизирующего) агента N-(3-хлоро-2-гидроксипропил)-N,N,N-триметиламмоний хлорида, а в качестве катализатора катионизации – малеиновый ангидрид или янтарную кислоту, гидроксид и/или оксид натрия, магния, калия или кальция, с дополнительным применением ингибиторов клейстеризации – сульфатов (хлоридов) натрия и/или калия, при этом обработку крахмала проводят методом сухой или полусухой катионизации или методом катионизации крахмальной суспензии или крахмального клейстера или экструзии. Ведутся поисковые научно-исследовательские работы по изучению различных способов химической и физической модификации:
1. Окисления нативного крахмала высокоэффективным газообразным окислителем озоном; 2. Окисления нативного крахмала электрохимическим способом; 3. Облучения нативных крахмалов ионизирующим излучением и т.д. С текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка продуктов глубокой переработки пшеницы можно познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок продуктов глубокой переработки пшеницы в России». Владимир Владимирович Литвяк ведущий научный сотрудник отдела технологии продуктов из картофеля, плодов и овощей РУП "Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по продовольствию", кандидат химических наук |
