Инновационный способ получения сахаристых крахмалопродуктов

Введение. Широко известен способ получения сахаристых крахмалопродуктов методом гидролиза крахмала [1, 2] в результате последовательно осуществляемых технологических этапов.

• 1.    При получении патоки крахмальной (ПК) разного углеводного состава (рис. 1): подготовка 38–40 % сухих веществ (СВ) крахмальной суспензии к разжижению, кислотное или ферментативное разжижение (для низкоосахаренной патоки (НКП) 3 % редуцирующих веществ (РВ), для карамельной патоки (ККП)) (при картофельном крахмале 8–9 % РВ, при кукурузном крахмале 10–12 % РВ), для высокоосахаренной па-

• токи (ВКП) 48–50 % РВ, для мальтозной патоки (МКП) 15–20 % РВ), нейтрализация или инактивация ферментов, охлаждение и корректировка рН, ферментативное или кислотное осахаривание (для НКП до 34 % РВ, для ККП 34–44 % РВ, для ВКП более 44 % РВ, для МКП более 50 % мальтозы и менее 50 % глюкозы), инактивация ферментов или нейтрализация, механическое фильтрование, выпаривание в выпарной установке, адсорбционная очистка с помощью активного угля, контрольное фильтрование, уваривание до 78 % СВ, охлаждение, хранение и розлив.

• 2.    При получении глюкозо-фруктозного сиропа (ГФС) разного углеводного состава: подготовка 38–40 % СВ крахмальной суспензии к разжижению, кислотное или ферментативное разжижение, нейтрализация или инактивация ферментов, охлаждение и корректировка рН, ферментативное или кислотное осахаривание, нейтрализация или инактивации ферментов, охлаждение и корректировка рН, изомеризация глюкозы при помощи ферментного препарата с глюкозоизоме-разной активностью, инактивация или нейтрализация фермента глюкозоизомеразы, механическое фильтрование, адсорбционная очистка с помощью активного угля, контрольное фильтрование, охлаждение, хранение и розлив.

• 3.    При получении глюкозы: подготовка 38– 40 % СВ крахмальной суспензии к разжижению, кислотное или ферментативное разжижение, нейтрализация или инактивация ферментов, охлаждение и корректировка рН, ферментативное или кислотное осахаривание, инактивация или нейтрализация ферментов, механическое фильтрование, выпаривание в выпарной установке до 45–50 % СВ, обработка ионообменными смолами или адсорбционная очистка с помощью активного угля, контрольное фильтрование, охлаждение уваренного сиропа и кристаллизация при начальной температуре 45–50 °С и конечной температуре 36–37°С, отделение кристаллов на центрифуге, высушивание кристаллов, фасовка, упаковка, хранение и транспортирование.

Кукурузная патока                             Картофельная патока

Рис. 1. Патока крахмальная

Недостатком известного способа получения сахаристых крахмалопродуктов (ПК и ГФС разного углеводного состава, а также глюкозы) являются прежде всего недостаточно высокие потребительские характеристики сахаристых крах-малопродуктов (большая зольность, большое количество окрашенных сложных высокомолекулярных органических соединений – меланои-динов (М)). Кроме этого, в качестве недостатков можно указать также на трудоемкость и многоэ-тапность технологического процесса получения сахаристых крахмалопродуктов по традиционной технологии, что требует дорогостоящего технологического оборудования и высококвалифицированных специалистов.

Технология получения сахаристых крахма-лопродуктов обуславливает реакцию меланои-динообразования (сахароамминную реакцию или реакцию Майара), которая приводит к образованию трудно устранимых сопутствующих окрашенных органических веществ сложного строения – М [3].

Цель исследования – разработка высокоэффективного и экономичного способа получения сахаристых крахмалопродуктов: патоки крахмальной и ГФС разного углеводного состава, сухих сиропов глюкозного (мальтодекстрина) и глюкозо-фруктозного, а также глюкозы с хорошими потребительскими характеристиками (прозрачностью, а также низким количеством примесей: протеинов, белков (Б), М и минеральных веществ) за счет использования очистки глюкозных и ГФС баромембранными процессами (БМП).

Объекты и методы. Объект исследования – технологии сахаристых крахмалопродуктов: ПК и ГФС разного углеводного состава, сухих сиропов глюкозного (мальтодекстрина) и глюкозо-фруктозного, а также глюкозы.

WIKIPEDIA, Google Scholar, ResearchGate, PubMed, Mendeley, Scopus по ключевым словам и словосочетаниям на русском языке: «технологии», «сахаристые крахмалопродукты», «патока», «глюкозо-фруктозный сироп», «сироп», «глюкоза», «баромембранные процессы», «микрофильтрация», «ультрафильтрация», «обратный осмос», «электролиз» и английском языке: «tech-nology», «sugary starch products», «molasses», «glucose-fructose syrup», «syrup», «glucose», «baromembrane processes», «microfiltration», «ul-trafiltration», «reverse osmosis», «electrolysis».

Результаты и их обсуждение. Нами предложен инновационный способ получения сахаристых крахмалопродуктов, предусматривающий кислотный или ферментативный гидролиз крахмальной суспензии, с или без ферментативной изомеризации глюкозы, очистку глюкозных или ГФС, сгущение глюкозных сиропов, с или без кристаллизации глюкозы, который отличается от известных ранее тем, что очистка глюкозного или ГФС от минеральных веществ, Б и М осуществляется при помощи БМП в результате микрофильтрации (МФ) с использованием МФ мембран (МБ) с размером пор 100-0,1 мкм и/или ультрафильтрации (УФ) с использованием УФ мембран с размерами пор 0,01-0,1 мкм, и/или обратным осмосом (ОО) с использованием ОО мембран с размерами пор 0,001-0,0001 мкм, а также при помощи электролиза (Э) в результате последовательного пропускания электрического тока (ЭТ) при плотности ЭТ 10-15 мА/см³ и температуре 20-40 ºС через глюкозный или ГФС после его подкисления до рН > 6 в течение 15 мин и далее через глюкозный или ГФС после его подщелачивания до рН < 6 в течение 15 мин с последующим при получении ПК сгущением глюкозного сиропа до 70-78 % СВ, или при получении ГФС сгущением данного сиропа до 45–50 % СВ, или при получении глюкозы сгущением при температуре 36– 37 °С глюкозного сиропа до 45–50 % СВ при помощи ОО с использованием мембран ОО с размерами пор 0,001-0,0001 мкм, с или без сушки на распылительной сушилке при температуре 100-140 ºС сгущенного до 70-78 % СВ в паточного сиропа или сгущенного до 45–50 % СВ ГФС.

В настоящее время в пищевой промышленности (ПП) широко используются БМП (рис. 2–4) [4].

• 1.    МФ-БМП с использованием МФ мембран с размером пор 100-0,1 мкм.

• 2.    УФ-БМП с использованием УФ мембран с размерами пор 0,01-0,1 мкм.

• 3.    ОО-БМП с использованием мембран ОО с размерами пор 0,001-0,0001 мкм.

Также сейчас в ПП активно применяется для очистки от разных сопутствующих веществ (М, минеральных веществ и т. д.) Э – физикохимический процесс, основу которого составляет ЭТ растворитель, но не пропускает некоторые растворенные в нем вещества. Установка ОО способна удалять из воды частицы с размерами 0,001-0,0001 мкм.

При обезвоживании важным является знание о диаметре воды. Известно, что диаметр молекулы воды (H 2 O) равняется 0,3 нм, или 0,0003 мкм, или 3∙10^-8 см, или 3∙10^-10 м, или 3Å.

В стремлении повысить энергоэффективность процесса обезвоживания мембранная технология (МТ) стала жизнеспособным решением, служащим этапом предварительного концентрирования, который снижает содержание воды и минимизирует затраты тепловой энергии перед испарением [5]. Важнейшим преимуществом МТ в ПП является ее способность производить безопасные, качественные и питательные продукты питания [6]. Более того, ее можно легко интегрировать с другими процессами разделения, что позволяет разрабатывать технологии гибридные, более доступные и простые в эксплуатации по сравнению с традиционными методами [6, 7]. Следовательно, на пищевую промышленность приходится около 20–30 % мировых продаж МБ [8], причем только в молочной промышленности используется около 40 % МТ [8]. Среди МТ под давлением МФ и УФ обычно используются в ПП в качестве установок предварительной обработки, эффективно удаляя нежелательные макромолекулы и микроорганизмы из сырых жидких пищевых продуктов перед дальнейшей обработкой [9, 10]. Хотя технология ОО обеспечивает более низкий коэффициент концентрации, чем испарение, она дает явные преимущества в концентрировании сахара, фруктовых и овощных соков, так как работает при более низких температурах, сохраняя качество пищевых продуктов [11].

Экономические факторы зачастую создают значительные ограничения для широкого вне- дрения МТ. МТ, которые основаны на давлении, менее энергозатраны. В сравнении с традиционными способами обезвоживания, например сушкой [12], их потребление энергии значительно больше, чем при осмотических БМП, таких как прямой осмос (ПО) и мембранная дистилляция (МД). Таким образом, процессы ПО и МД открывают существенные перспективы для производства продукции высокого качества за счет более высоких коэффициентов концентрации, низкого потенциала загрязнения МБ и меньших энергетических затрат [13]. Тем не менее использование полимерных МБ для очистки соков представляет затруднение при масштабирова- нии МТ из-за низкой плотности упаковки и высоких затрат на замену МБ [14, 15]. Регулярная очистка МБ необходима также для поддержания оптимальной производительности, но данный процесс может быть дорогим и трудоемким, а также может включать в себя хлорсодержащие химические вещества в растворе [16]. Очень важно поэтому, чтобы методы обработки и консервирования пищевых продуктов поддерживали свежесть продуктов, обеспечивали безопасность и сохранение питательных веществ, а также достаточный срок хранения при решении этих проблем [17, 18].

Рис. 2. Основные БМП

Перфорированная

Рис. 3. Конструкция рулонного мембранного элемента

Рис. 4. Особенности процесса обратного осмоса

Используемое сырье при получении сахаристых крахмалопродуктов . В качестве сырья использовали:

• 1.    Нативный крахмал по техническому нормативному правовому акту (ТНПА): крахмал картофельный – по ГОСТ 7699-78 (влажность 17–20 %); крахмал кукурузный – по ГОСТ 769782 (влажность 13–16 %); крахмал тапиоковый, пшеничный, ржаной, ячменный, тритикалевый, рисовый, амарантовый, сорговый, нутовый, гороховый, бобовый, чумизный – по ТНПА; крахмальные смеси различного соотношения – по ТНПА.

• 2.    Амилолитические ферментные препараты по ТНПА.

• 3.    Минеральные кислоты по ТНПА: соляная кислота (HCl) – по ТНПА; серная кислота (Н 2 SO 4 ) – по ТНПА.

• 4.    Щелочь по ТНПА: гидроксид натрия (NaОH) – по ТНПА; гидроксид калия (КOН) – по ТНПА.

Технология получение ПК разного углеводного состава . Получение ПК предусматривает:

• 1.    Подготовка 38–40 % СВ крахмальной суспензии к гидролизу.

• 2.    Разваривание – клейстеризация крахмала при температуре 90–100 ºС в течение 1–5 мин.

• 3.    1-й этап гидролиз крахмала – разжижение кислотное или ферментативное:

• ■    для НКП 3 % РВ;

• ■    для ККП:

  – при картофельном крахмале 8–9 % РВ,

  – при кукурузном крахмале 10–12 % РВ;

• ■    для ВКП 48-50 % РВ;

• ■    для МКП 15-20 % РВ.

• 4.    Нейтрализация или инактивация ферментов.

• 5.    Охлаждение и корректировка рН.

• 6.    2-й этап гидролиза крахмала – осахаривание ферментативное или кислотное:

• ■    для НКП до 34 % РВ;

• ■    для ККП 34-44 % РВ;

• ■    для ВКП более 44 % РВ;

• ■    для МКП более 50 % мальтозы и менее 50 % глюкозы.

• 7.    Инактивация ферментов или нейтрализация.

• 8.    Очистка паточного (глюкозного) сиропа от минеральных веществ, Б и М осуществляется при помощи БМП в результате одного из способов:

  – МФ с использованием МФ мембран с размером пор 100-0,1 мкм и/или

  – УФ с использованием УФ мембран с размерами пор 0,01-0,1 мкм, и/или

  – ОО с использованием мембран ОО с размерами пор 0,001-0,0001 мкм.

• 9.    Проводят очистку паточного (глюкозного) сиропа при помощи электролиза (1-й этап) в результате последовательного пропускания электрического тока при плотности тока 10-15 мА/см³ и температуре 20-40 °С через паточный сироп после его подкисления до рН > 6 в течение 15 мин.

• 10.    Проводят очитку паточного (глюкозного) сиропа при помощи Э (2-й этап) в результате последовательного пропускания ЭТ при плотности тока 10-15 мА/см³ и температуре 20-40 °С через паточный сироп после его подщелачивания до рН < 6 в течение 15 мин.

• 11.    Осуществляют сгущение паточного (глюкозного) сиропа до 70–78 % СВ при помощи ОО с использованием мембран ОО с размерами пор 0,001-0,0001 мкм.

Среди различных технологий сахаристых крахмалопродуктов технология ПК является базовой.

Технология получения ГФС разного углеводного состава. На первоначальном этапе технологии ГФС осуществляют получение глюкозного сиропа аналогичным как в технологии ПК способом, т. е. методом кислотного или кислотно-ферментативного или ферментативного гидролиза крахмала в две стадии:

– стадия 1: разжижение крахмалосодержащего сырья;

– стадия 2: осахаривание крахмалосодержащего сырья.

Для изомеризации глюкозы в полученном глюкозном сиропе используется ферментный препарат с глюкозоизомеразной активностью. Перед началом изомеризации (перед внесением фермента в глюкозный сироп) проводят корректировку рН и температуры глюкозного сиропа под оптимум действия глюкозоизомеразы.

После проведения реакции изомерезации проводят инактивацию или нейтрализацию фермента глюкоизомеразы температурой или изменением рН среды.

Очистку ГФС от минеральных веществ, Б и М осуществляют при помощи БМП в результате:

– МФ с использованием МФ мембран с размером пор 100-0,1 мкм и/или

– УФ с использованием УФ мембран с размерами пор 0,01-0,1 мкм, и/или

– ОО с использованием мембран ОО с размерами пор 0,001-0,0001 мкм.

Далее проводят первичную очистку ГФС при помощи Э (1-й этап) в результате последовательного пропускания ЭТ при плотности ЭТ 10-15 мА/см3 и температуре 20-40 °С через паточный сироп после его подкисления до рН > 6 в течение 15 мин.

Впоследствии проводят вторичную очистку ГФС при помощи Э (2-й этап) в результате последовательного пропускания ЭТ при плотности ЭТ 10-15 мА/см3 и температуре 20-40 °С через паточный сироп после его подщелачивания до рН < 6 в течение 15 мин.

При необходимости осуществляют сгущение ГФС до 45–50 % СВ при помощи ОО с использованием мембран ОО с размерами пор 0,001-0,0001 мкм.

При необходимости сгущенный до 45–50 % СВ ГФС сушат на распылительной сушкой при температуре 100-140 °С.

Технология получения сухого глюкозного сиропа (мальтодекстрина) и сухого ГФС разного углеводного состава. В начале технологии сухих сиропов осуществляют получение глюкозного сиропа аналогичным способом, как в технологии патоки крахмальной, т. е. методом кислотного, или кислотно-ферментативного, или ферментативного гидролиза крахмала в одну и/или две стадии:

– стадия 1: разжижение крахмалосодержащего сырья и/или

– стадия 2: осахаривание крахмалосодержащего сырья.

Очистку глюкозного сиропа от минеральных веществ, Б и М осуществляют при помощи БМП в результате:

– МФ с использованием МФ мембран с размером пор 100-0,1 мкм и/или

– УФ с использованием УФ мембран с размерами пор 0,01-0,1 мкм, и/или

– ОО с использованием мембран ОО с размерами пор 0,001-0,0001 мкм.

Далее проводят первичную очистку глюкозного сиропа при помощи Э (1-й этап) в результате последовательного пропускания ЭТ при плотности ЭТ 10-15 мА/см3 и температуре 20-40 °С через паточный сироп после его подкисления до рН>6 в течение 15 мин.

Впоследствии проводят вторичную очистку глюкозного сиропа при помощи Э (2-й этап) в результате последовательного пропускания ЭТ при плотности ЭТ 10-15 мА/см3 и температуре 20-40 °С через паточный сироп после его подщелачивания до рН < 6 в течение 15 мин.

Осуществляют сгущение глюкозного сиропа до 70–78 % СВ при помощи ОО с использованием мембран ОО с размерами пор 0,001-0,0001 мкм.

Сгущенный до 70–78 % СВ глюкозный сироп сушат на распылительной сушке при температуре 100-140 ºС с получением сухого глюкозного сиропа (мальтодекстрина разного декстрозного эксвивалента).

При получении сухих ГФС разного углеводного состава дополнительно проводят изомеризацию глюкозы в полученном глюкозном сиропе, используя ферментный препарат с глюкозоизо-меразной активностью. При этом перед началом изомеризации (перед внесением фермента в глюкозный сироп) проводят корректировку рН и температуры глюкозного сиропа под оптимум действия глюкозоизомеразы.

Очистку ГФС от минеральных веществ, Б и М осуществляют при помощи БМП в результате:

– МФ с использованием МФ мембран с размером пор 100-0,1 мкм и/или

– УФ с использованием УФ мембран с размерами пор 0,01-0,1 мкм, и/или

– ОО с использованием мембран ОО с размерами пор 0,001-0,0001 мкм.

Далее проводят первичную очистку ГФС при помощи Э (1-й этап) в результате последовательного пропускания ЭТ при плотности ЭТ 10-15 мА/см3 и температуре 20-40 ºС через паточный сироп после его подкисления до рН > 6 в течение 15 мин.

Впоследствии проводят вторичную очистку ГФС при помощи Э (2-й этап) в результате последовательного пропускания ЭТ при плотности

ЭТ 10-15 мА/см3 и температуре 20-40 °С через паточный сироп после его подщелачивания до рН < 6 в течение 15 мин.

Осуществляют сгущение ГФС до 45–50 % СВ при помощи ОО а с использованием мембран ОО с размерами пор 0,001-0,0001 мкм.

Сгущенный до 45–50 % СВ ГФС сушат на распылительной сушкой при температуре 100-140 ºС.

Технология получения глюкозы . На первоначальном этапе технологии глюкозы осуществляют получение глюкозного сиропа аналогичным, как в технологии патоки крахмальной, способом, т. е. методом кислотного, или кислотноферментативного, или ферментативного гидролиза крахмала в две стадии:

– стадия 1: разжижение крахмалосодержащего сырья;

– стадия 2: осахаривание крахмалосодержащего сырья.

Очистку глюкозного сиропа от минеральных веществ, Б и М осуществляют при помощи БМП в результате:

– МФ с использованием МФ мембран с размером пор 100-0,1 мкм и/или

– УФ с использованием УФ мембран с размерами пор 0,01-0,1 мкм, и/или

– ОО с использованием мембран ОО с размерами пор 0,001-0,0001 мкм.

Далее проводят первичную очистку глюкозного сиропа при помощи Э (1-й этап) в результате последовательного пропускания ЭТ при плотности ЭТ 10-15 мА/см3 и температуре 20-40 °С через паточный сироп после его подкисления до рН > 6 в течение 15 мин.

Впоследствии проводят вторичную очистку глюкозного сиропа при помощи Э (2-й этап) в результате последовательного пропускания ЭТ при плотности ЭТ 10-15 мА/см3 и температуре 20-40 °С через паточный сироп после его подщелачивания до рН < 6 в течение 15 мин.

На заключительном этапе технологии осуществляют сгущение глюкозного сиропа при температуре 36–37 °С до 45–50 % СВ при помощи ОО с использованием мембран ОО с размерами пор 0,001-0,0001 мкм с последующей кристаллизацией, отделением кристаллов на центрифуге, сушкой кристаллов, их фасовкой, упаковкой, хранением и транспортировкой.

Заключение. Таким образом, нами предложен инновационный, высокоэффективный и экономичный способ получения сахаристых крахмалопродуктов: патоки крахмальной разного углеводного состава (низкоосахаренной, вы-сокоосахаренной, карамельной и мальтозной), ГФС разного углеводного состава, глюкозы, сухих глюкозных сиропов (мальтодектринов с разным декстрозным эквивалентом) и сухих ГФС разного углеводного состава с улучшенными потребительскими характеристиками (прозрачностью, а также низким количеством примесей: протеинов, Б, М и минеральных веществ) в результате использования БМП очистки (МФ, УФ и ОО), а также двухэтапного Э.