Способ получения нативного крахмала

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАТИВНОГО КРАХМАЛА(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный аграрный технический университет(72) Авторы Литвяк Владимир Владимирович Бренч Андрей Александрович(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный аграрный технический университет(57) Способ получения нативного крахмала, при котором осуществляют подготовку крахмалсодержащего сырья к переработке, проводят исследование морфологической структуры крахмала в крахмалсодержащем сырье с определением размера крахмальных гранул,подготовленное сырье измельчают, высушивают до удаления из растительных клеток свободной и связанной влаги, подвергают тонкому измельчению для разрушения растительных клеток и извлекают крахмал путем многократного просеивания через систему сит,подобранную в соответствии с размерами крахмальных гранул перерабатываемого крахмалсодержащего сырья. Изобретение относится к крахмало-паточной отрасли пищевой промышленности и может быть использовано при получении нативного крахмала. Изобретение позволяет разработать высокоэффективный, экономный и экологически безопасный способ получения нативного крахмала. Известен способ переработки кукурузы на крахмал, предусматривающий пять обязательных стадий предварительное размягчение структуры зерна кукурузы путем замачивания его в кислой среде, выделение и промывание зародыша, выделение и промывание мезги, выделение и концентрирование белка, промывание крахмала и его сушка 1. Недостатками известного способа являются сложность и длительность технологического процесса, использование в технологии большого количества воды, а также дорогостоящих химических реагентов. При данном способе получения крахмала образуется большое количество отходов производства негативно влияющих на окружающую среду. 16622 1 2012.12.30 Известны способы переработки картофеля на крахмал с использованием разнообразных технологических схем, оснащенных различными видами применяемого для этих целей технологического оборудования. Однако независимо от аппаратурного оформления каждый из этих способов включает стадии производства, которые свойственны всем современным технологиям производства картофельного крахмала подготовка картофеля к переработке, измельчение, выделение картофельного (клеточного) сока и мезги, очистка крахмала, его обезвоживание и сушка 2. Недостатками известных способов являются громоздкость технологических линий,длительность и сложность технологического процесса, большой расход питьевой воды, а также невысокая экологическая эффективность. Наиболее близким к изобретению является способ получения нативного картофельного крахмала 3 (прототип), предусматривающий подготовку к переработке и измельчение крахмалсодержащего сырья, использование многоступенчатой гидроциклонной установки,на которой осуществляются операции разделения тонкоизмельченного крахмалсодержащего сырья на крахмальную суспензию и смесь мезги с другими побочными продуктами,а также впоследствии осуществляют частичное сгущение крахмальной суспензии с последующими обезвоживанием, сушкой, удалением металломагнитных примесей, фасовкой,упаковкой, маркировкой и транспортированием крахмала. По техническим характеристикам и технико-экономическим показателям гидроциклонная установка многократно превосходит другие виды технологического оборудования. Недостатками способа являются использование большого количества воды, невозможность обеспечения полного (100 ) извлечения крахмала из растительного сырья и получения полностью однородного продукта, т.е. крахмала без примесей. Образуются довольно много побочных продуктов картофельнокрахмального производства клеточного (картофельного) сока и картофельной мезги. Так, состав сухих веществ картофельной мезги следующий,крахмал - 45-50 клетчатка - 25-30 растворимые углеводы - до 3 азотистые вещества - 3-5 минеральные вещества - 5-6 другие вещества - до 20. Состав сухих веществ клеточного сока следующий,крахмал - 8,3 растворимые углеводы - 20-25 азотистые вещества - 35-40 минеральные вещества - 14-15 жиры - 2,8 другие вещества - до 20. Кроме того, требуется сложное и дорогостоящее оборудование (гидроциклонная установка). Невозможность получения полностью чистого крахмала, т.е. полного его извлечения из крахмалсодержащего сырья, по-видимому, связана с образованием водородной связи. Водородная связь может образовываться между основными молекулами растительной клетки белками, жирами, углеводами, нуклеиновыми кислотами. У молекулы крахмала можно выделить два типа ассоциации с водородной связью без присутствия и с присутствием молекул воды. У абсолютно сухого крахмала (при полном отсутствии молекул воды) водородная связь может образовываться между атомами водорода и кислорода гидроксильных групп. При непосредственной ассоциации посредством водородной связи соседних ОН-групп -глюкопиранозных остатков крахмала происходит существенное снижение доступности и, как следствие, активности данных гидроксильных групп. Большое значение в образовании водородной связи у крахмала принадлежит молекуле воды 2 16622 1 2012.12.30 химические свойства физические свойства бесцветная жидкость, без вкуса и запаха кипит при 100 С (при давлении 101,3 кПа),замерзает при 0 С, ее максимальна плотность (при 4 ) равна 1 г/см 3 В молекуле воды атом кислорода имеет четыре электронные пары, две из которых участвуют в образовании двух полярных ковалентных связей -, т.е. являются связывающими, а две другие являются несвязывающими. Ковалентные связи воды образованы за счет перекрывания двух одноэлектронных -облаков атома кислорода и одноэлектронных-облаков двух атомов водорода. Угол между связями в молекуле воды 104,5. В молекуле воды имеется четыре полюса зарядов два положительных и два отрицательных. Положительные заряды сосредоточены у атомов водорода, т.к. кислород электроотрицательней водорода. Два отрицательных полюса приходятся на две несвязывающие электронные пары кислорода. Водородная связь способна появляться между атомами водорода и кислорода гидроксильных групп глюкопиранозных остатков через имеющиеся в крахмале молекулы воды. Образование водородной связи между гидроксильными группами глюкопиранозных остатков крахмала через одну и более молекул воды, которые удерживают их отдельно, в результате чего повышается их доступность, что приводит к увеличению реакционной способности этих -групп. Таким образом, задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является разработка высокоэффективного, экономного и экологически безопасного способа получения нативного крахмала. Это достигается тем, что предлагается способ получения нативного крахмала, при котором осуществляют подготовку крахмалсодержащего сырья к переработке, проводят исследование морфологической структуры крахмала в крахмалсодержащем сырье с определением размера крахмальных гранул, подготовленное сырье измельчают, высушивают до удаления из растительных клеток свободной и связанной влаги, подвергают тонкому измельчению для разрушения растительных клеток и извлекают крахмал путем многократного просеивания через систему сит, подобранную в соответствии с размерами крахмальных гранул перерабатываемого крахмалсодержащего сырья. Способ реализуется следующим образом. Технология получения нативного крахмала включает следующие последовательно осуществляемые технологические операции 1. Исследование морфологической структуры крахмала в крахмалсодержащем сырье(табл. 1-4, фиг. 1-13), поступающем на переработку (оценка размера крахмальных гранул). 16622 1 2012.12.30 Таблица 1 Морфологическая характеристика нативных крахмалов различного ботанического происхождения Параметры Среднее Стандартная 1,19 ошибка Медиана 21,8 Мода 22,4 Стандартное 10,27 отклонение Дисперсия выборки 105,4 Эксцесс-0,9 Асимметричность 0,1 Интервал 37,9 Минимум 4,9 Максимум 42,8 Уровень надеж 2,36 ности (95,0 ) Верхняя граница 23,5 Нижняя граница 18,8 Распределение тримодальгранул по разменое рам Форма гранул Нативные крахмалы Пшеничный Тритикале Сорго 12,4 13,2 11,0 правильная правильная овальная и овальная и овальная и многогранокруглая округлая ная Продолжение табл. 1 Параметры Среднее Стандартная ошибка Медиана Мода Стандартное отклонение Дисперсия выборки Эксцесс Асимметричность Интервал Минимум Максимум Уровень надежности (95,0 ) Верхняя граница Нижняя граница Распределение гранул по размерам Форма гранул Нативные крахмалы АмарантоКартофельКукурузный Тапиоковый вый ный 1,1 9,8 21,7 10,6 23 15,7 1,2 10,2 22,9 11,1 17,8 13,9 1,1 9,3 20,5 10,1 мономомономомономомономобимодаль- бимодальдальное дальное дальное дальное ное ное неправильнеправиль- неправиль- неправильправильная многогранная овальная много- ная оваль- ная округовальная ная ная гранная ная лая 16622 1 2012.12.30 Таблица 2 Характеристика сортов картофеля Группа спелости Институт сельского хозяйства Полесья Институт картофелеводства Украинской академии аграрных наук РУП Научнопрактический центр НАН Беларуси по картофелеводству и плодоовощеводству (Беларусь) 16622 1 2012.12.30 Таблица 3 Морфологическая характеристика крахмальных гранул(распределение по размеру и форме) ативного картофельного крахмала полученных из разных сортов картофеля Распределение по размеру и форме крахмальных гранул,Сорт картофельного малые средние большие очень большие крахмала правильная правильная правильная неправильная круглая неправильная неправильная округлая и овальная округлая и овальная неправильная неправильная округлая и овальная овальная и округлая 16622 1 2012.12.30 Таблица 4 Морфологическая характеристика нативного крахмала,выделенного из разных сортов картофеля Нативный крахмал, выделенный из разных сортов картофеля Параметры Атлант Лазурит Ласунок Лилея Маг Скарб Среднее 28,23 23,89 21,61 26,03 37,12 25,54 Стандартная ошибка 0,97 0,88 0,75 1,31 1,52 0,74 Медиана 26,62 20,69 19,12 24,14 35,97 25,22 Мода 29,46 16,53 24,26 17,46 27,64 26,32 Стандартное от 10,86 11,69 11,06 11,43 13,86 10,05 клонение Дисперсия выборки 118,00 136,66 122,40 130,73 192,07 100,97 Эксцесс 0,16 1,67 0,01 0,15-1,045 0,32 Асимметричность 0,73 1,29 0,74 0,73 0,16 0,55 Интервал 48,38 58,89 51,25 51,55 52,5 57,50 Минимум 7,84 7,92 5,00 7,91 12,92 6,62 Максимум 56,22 66,81 56,25 59,46 65,42 64,12 Уровень надежно 1,92 1,74 1,47 2,61 3,03 1,46 сти (95,0 ) Распределение гра- мономо- мономо- мономо- мономо- бимодаль- мономонул по размерам дальное дальное дальное дальное ное дальное Продолжение табл. 4 Параметры Среднее Стандартная ошибка Медиана Мода Стандартное отклонение Дисперсия выборки Эксцесс Асимметричность Интервал Минимум Максимум Уровень надежности (95,0 ) Распределение гранул по размерам Нативный крахмал, выделенный из разных сортов картофеля Сузорье Явар Уладар Веснянка 37,13 26,02 26,29 32,85 33,72 23,96 1,49 Нативный крахмал, выделенный из разных сортов картофеля Лазарь Дзвн Лелека 33,90 28,38 27,68 33,47 33,27 1,28 1,09 0,88 1,33 1,01 32,78 25,63 26,94 32,72 31,39 27,92 38,75 22,36 37,50 27,22 Среднее Стандартная ошибка Медиана Мода Стандартное откло 12,49 нение Дисперсия выборки 155,98 Эксцесс 2,00 Асимметричность 1,18 Интервал 69,17 Минимум 14,31 Максимум 83,47 Уровень надежно 2,54 сти (95,0 ) Распределение грабимодальное нул по размерам 2. Подбор технологического оборудования (системы сит) в зависимости от исследованных морфологических характеристик крахмала. При получении крахмала из различного растительного крахмалсодержащего сырья размеры отверстий сит различны. Так, рекомендуемые отверстия в ситах при выделении крахмала следующие из кукурузы (.) 3,6-19,2 мкм, преимущественно 9,8 мкм из пшеницы (растений рода ) 2,8-27,1 мкм, преимущественно 12,4 мкм из ржи (.) 4,9-42,8 мкм, преимущественно 21,2 мкм из тритикале (, от лат.- пшеница и от лат.- рож) - гибрид пшеницы и ржи 4,0-30,7 мкм, преимущественно 13,2 мкм из ячменя (.) 3,0-21,4 мкм, преимущественно 10,9 мкм из риса (.) 2,7-7,9 мкм, преимущественно 5,3 мкм из сорго (.) 3,5-21,7 мкм, преимущественно 11,0 мкм из амаранта (. или другие растения рода ) 0,5-1,5 мкм,преимущественно 1,1 мкм из гороха (.) 6,1-32,3 мкм, преимущественно 20,4 мкм из нута (.) 6,0-25,6 мкм, преимущественно 14,8 мкм из тапиоки (. и.) 2,8-31,2 мкм, преимущественно 10,6 мкм из картофеля (.) 5,00-83,47 мкм, преимущественно 29,33, мкм сорта Атлант 7,84-56,22 мкм, преимущественно 28,23 мкм сорта Лазурит 7,92-66,81 мкм, преимущественно 23,89 мкм сорта Ласунок 5,00-56,25 мкм, преимущественно 21,61 мкм сорта Лилея 7,91-59,46 мкм, преимущественно 26,03 мкм сорта Маг 12,92-65,42 мкм, преимущественно 37,12 мкм сорта Скарб 6,62-64,12 мкм, преимущественно 25,54 мкм сорта Сузорье 14,58-67,64 мкм, преимущественно 37,13 мкм сорта Явар 9,12-59,41 мкм, преимущественно 26,02 мкм сорта Уладар 6,43-58,39 мкм, преимущественно 26,29 мкм сорта Веснянка 7,89-90,26 мкм, преимущественно 32,85 мкм сорта 8,46-62,64 мкм, преимущественно 33,72 мкм 8 16622 1 2012.12.30 сорта 8,38-58,82 мкм, преимущественно 23,96 мкм сорта 14,31-83,47 мкм, преимущественно 33,90 мкм сорта 10,97-62,64 мкм, преимущественно 28,38 мкм сорта Лазарь 10,14-55,69 мкм, преимущественно 27,68 мкм сорта Дзвн 12,36-70,00 мкм, преимущественно 33,47 мкм сорта Лелека 15,14-60,28 мкм, преимущественно 33,27 мкм. 3. Высушивание сырья до абсолютно сухого состояния (удаление из растительных клеток свободной и связанной влаги). 4. Максимально тонкое (возможно многократное) измельчение растительного сырья,приводящее к разрушению растительных клеток. 5. Многократное просеивание измельченного растительного сырья через систему сит для извлечения крахмала. 6. Удаление металломагнитных примесей в результате пропускания крахмала через магнитное поле постоянных магнитов. 7. Фасовка, упаковка и маркировка крахмала. 8. Транспортирование потребителю для реализации или на склад готовой продукции для хранения. Основными преимуществами предлагаемой технологии являются, прежде всего, простота, доступность применяемого технологического оборудования, исключение использования в технологическом процессе воды, а также экологическая безопасность производства. Технология производства крахмала данным способом позволяет провести максимально полное извлечение крахмала из растительного сырья и получить наиболее однородный готовый продукт. В результате высушивания растительного сырья до абсолютно сухого состояния происходит практически полное удаление воды из растительной клетки, следствием чего является существенное уменьшение имеющихся водородных связей. Оставшиеся водородные связи крахмала образуются между атомами водорода и кислорода гидроксильных групп глюкопиранозы, что приводит к полной ликвидации их химической активности. Происходит своего рода закрытие гидроксильных групп при помощи водородной связи, что является ответной (защитной) реакцией молекулы на чрезмерное повышение температуры (процесс сушки) и предназначено для максимально возможной внутримолекулярной стабилизации. Данный процесс внутримолекулярной стабилизации при помощи водородных связей,по-видимому, универсален и характерен и для других биомолекул (белков жиров, углеводов нуклеиновых кислот). Таким образом, при высушивании растительного сырья наблюдается потеря сцепления биомолекул и процесс извлечения крахмала существенным образом облегчается. Кроме того, высушенную до абсолютно сухого состояния мезгу (фиг. 14), образующуюся при применении известных технологий, использующих для получения крахмала воду, можно подвергать дополнительной переработке с целью более полного извлечения крахмала. Это позволит максимально полно извлекать крахмал из растительного сырья и получать более однородную по составу мезгу (состоящую, после подобной переработки, в основном из одной клетчатки). Таким образом, разработан универсальный, высокоэффективный, экономный и экологически безопасный способ получения нативного крахмала различного ботанического происхождения, не требующий использования воды. Источники информации 1. Глюк Н.Г., Жушман А.И., Ладур Т.А., Штыркова Е.А. Крахмал и крахмалопродукты. - М. Агропромиздат, 1985. - 240 с. 16622 1 2012.12.30 2. Костенко В.Г., Овчинников А.Е., Горбатов В.М. Производство крахмала. - М. Легкая и пищевая промышленность, 1983. - 200 с. 3. Андреев Н.Р. Основы производства нативных крахмалов. - М. Пищепромиздат,2001. - С. 289. Сканирующие электронные микрофотографии зерен нативного крахмала 1 - сорго 2 - пшеницы 3 - картофеля 4 - риса Фиг. 1 10 Сканирующие электронные микрофотографии зерен нативного крахмала 1 - риса 2 - тритикале 3 - ржи Фиг. 2 Сканирующие электронные микрофотографии зерен нативного крахмала 1 - ржи 2 - гороха 3 - амаранта Фиг. 3 Сканирующие электронные микрофотографии зерен нативного крахмала 1 - амаранта 2 - нута 3 - ячменя Фиг. 4 Сканирующие электронные микрофотографии зерен нативного крахмала 1 - тапиоки 2 и 3 - кукурузы Фиг. 5 Сканирующие электронные микрофотографии зерен нативного картофельного крахмала 1 и 2 - сорт 3 и 4 - сорт Атлант Фиг. 6 Сканирующие электронные микрофотографии зерен нативного картофельного крахмала 1 и 2 - сорт Дзвн 3 и 4 - сортФиг. 7 Сканирующие электронные микрофотографии зерен нативного картофельного крахмала 1 и 2 - сорт Лазарь 3 и 4 - сорт Лазурит Фиг. 8 Сканирующие электронные микрофотографии зерен нативного картофельного крахмала 1 и 2 - сорт Ласунок 3 и 4 - сорт Лелека Фиг. 9 Сканирующие электронные микрофотографии зерен нативного картофельного крахмала 1 и 2 - сорт Скарб 3 и 4 - сорт Сузорье Фиг. 10 Сканирующие электронные микрофотографии зерен нативного картофельного крахмала 1 и 2 - сорт Маг 3 и 4 - сортФиг. 11 Сканирующие электронные микрофотографии зерен нативного картофельного крахмала 1 и 2 - сорт Явар 3 и 4 - сорт Веснянка Фиг. 12 Сканирующие электронные микрофотографии зерен нативного картофельного крахмала 1 - сорт Ллея 2 - сорт Уладар 3 - сортФиг. 13 Сканирующие электронные микрофотографии частиц мезги 1 - картофельной 2 - кукурузной Фиг. 14 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 23