О теоретическом выходе глюкозы из крахмала

Сырьем для производства кристаллической пищевой глюкозы является крахмал. Современная технология позволяет расщепить полисахаридную молекулу крахмала до глюкозы путем ферментативного гидролиза крахмала [1].

При расщеплении крахмала, состоящего из остатков глюкозы, к месту разрыва присоединяется молекула воды, за счет чего увеличивается молекулярная масса [2, 3]. Кроме этого, у последнего глюкозного остатка при первом углеродном атоме образуется

гидроксильная группа (ОН), обладающая большой реакционной способностью. Эта группа обусловливает восстанавливающую, или редуцирующую способность моносахаридов. Отсюда степень расщепления молекулы крахмала характеризуется показателем редуцирующей способности, или содержанием редуцирующих веществ (РВ). Содержание РВ в глюкозном сиропе определяют методом Лейна–Эйнона в лабораторных условиях. Сущность метода заключается в определении количества закиси меди, образовавшейся в результате восстановления окиси меди в щелочной среде

определенным количеством редуцирующих сахаров, содержащихся в продукте, в присутствии индикатора метиленового синего.

При полном расщеплении или гидролизе крахмала содержание редуцирующих веществ (РВ) (по международной терминологии – глюкозный эквивалент ГЭ) находится на уровне 98%. Этот показатель характеризует кроме содержания глюкозы и другие углеводы.

Содержание глюкозы в растворе можно также определить методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) на специальном хроматографе. Метод основан на хроматографическом разделении углеводов сиропа, при различии равновесного распределения его между двумя несмешивающимися фазами, одна из которых – мелкозернистый сорбент (неподвижная фаза), а другая – элюент (подвижная фаза), с последующим рефрактометрическим детектированием. При этом определяется углеводный состав, где содержание глюкозы в хорошо осахаренном сиропе должно составлять 95–96%, а содержание мальтозы и мальтотриозы: 4–5%.

Технологией производства глюкозы предусматривается ферментативный гидролиз сырого кукурузного крахмала до глюкозного сиропа. Полученный глюкозный сироп очищают, концентрируют и направляют на кристаллизацию. После получения глюкозного утфеля приступают к разделению кристаллов глюкозы и межкристального оттека (гидрола) на центрифугах, с последующим высушиванием сырой глюкозы на пневматической сушилке.

В технологии производства глюкозы важное значение имеет процесс ферментативного гидролиза, состоящего из двух стадий. Первая стадия – ферментативное разжижение, осуществляемое в присутствии разжижающего термостабильного ферментного препарата а -амилазы, например, «Liquozyme Supra 2,8 X». Разжижение необходимо для снижения вязкости клейстеризован-ного крахмала и подготовки его ко второй стадии. Вторая стадия – ферментативное осахаривание, осуществляемое в присутствии комплекса осахаривающих ферментных препаратов – глюкоамилазы и пуллуланазы. Осахаривание необходимо для разрыва 1–4 и 1–6 глюкозидных связей в разжиженном продукте.

С целью получения глюкозного сиропа с высоким ГЭ требуется направлять на переработку крахмал высокой чистоты, доброкачественностью не ниже 98,6%, 1,4% составят примеси крахмала. Таким образом, из 100% крахмала в процессе гидролиза участвует только 98,6%.

При гидролизе происходит прирост сухих веществ (СВ) за счет присоединения к молекуле крахмала молекулы воды. Прирост СВ за счет гидролиза можно определить по формуле:

Псв =

СВ

Дб

1 - 0,001 - ГЭ

- Дб =

98,6

1 - 0,001 - 98

- 98,6 = 10,71

где ПСВ – прирост СВ за счет гидролиза, %; Дб = 98,6 – доброкачественность крахмала, %; ГЭ = 98 – глюкозный эквивалент глюкозного сиропа, %.

Из вышеизложенного следует, что из 100 кг сухих веществ крахмала при гидролизе можно получить 110,71 кг сухих веществ глюкозы. Теоретический выход глюкозы в виде СВ глюкозного сиропа после ферментативного осахаривания включает и сухие вещества ферментных препаратов, которые вносятся в качестве катализатора для гидролиза.

Таким образом, теоретический выход глюкозы после ферментативного гидролиза составит:

Т =--- Дб ---+ П + Ф =

1 - 0,001 - ГЭ                  (₂)

---98,6--- + 1,4 + 0,31 = 111,02% 1 - 0,001 - 98

где П = 1,4 – суммарные примеси крахмала, %; Ф = 0,31 – количество ферментных препаратов, %.

После ферментативного гидролиза глюкозный сироп фильтруют, и от него отделяют примеси крахмала.

Теоретический выход сухих веществ глюкозного сиропа после фильтрования составит:

т вс

Дб

1 - 0,001 - ГЭ

+ м + N =

---—---+ 0,35 + 0,15 = 109,81% 1 - 0,001 - 98

где М = 0,35 – содержание золы в сиропе, %;

N = 0,15 – содержание азотистых веществ, %.

Разность между теоретическим выходом глюкозы после осахаривания и фильтрования сиропа составляют потери примесей крахмала, не входящие в состав сиропа:

111,02 – 109,81 = 1,21%.

Теоретический выход СВ глюкозы из 100 кг крахмала составит 109,81 кг.

В производстве глюкозы образуются потери СВ по технологическим стадиям как обусловленные анализом, так и неучтенные. Общие потери могут составлять 3,5–4,5% СВ глюкозы.

Для расчетов принимаем общие потери 4,2%, или 4,2 кг СВ.

Практический выход СВ в глюкозном сиропе с учетом потерь составит:

109,81 – 4,2 = 105,61 кг

Это количество СВ глюкозы (100%) представлено в виде раствора с концентрацией 30–33% сухих веществ (количество продукта 352 кг).

Полученный глюкозный сироп очищают, концентрируют до содержания СВ 73–75% и направляют на кристаллизацию. В дальнейшем все расчеты производим только по сухим веществам.

Кристаллизация глюкозы возможна только в пересыщенных растворах. Пересыщенные растворы образуются в результате выпаривания воды из сиропа или охлаждения глюкозного сиропа. При производстве моногидрата глюкозы пересыщение создается путем охлаждения концентрированного глюкозного сиропа ниже 50 °С. Коэффициент пересыщения раствора глюкозы в начале кристаллизации должен составлять около 1,1, а в конце кристаллизации – около 1,2. Коэффициент пересыщения показывает, во сколько раз больше находится растворенной глюкозы в сиропе, чем в насыщенном растворе при той же температуре. Концентрация глюкозы в насыщенном растворе определяется в зависимости от растворимости глюкозы в воде при определенной температуре. Так, для чистых растворов при температуре 46 °С растворимость глюкозы составляет 66,71%, а при температуре 24 °С – 50,09%.

В пересыщенных растворах кристаллизация протекает в несколько этапов. Вначале создаются зародыши, являющиеся центрами кристаллизации, а затем происходит рост кристаллов.

Температуру продукта в течение 56–70 ч снижают с 46–48 °С до 24–26 °С. При этом скорость снижения температуры не должна превышать 1,5–2 °С за 8 ч, а после 50 ч скорость снижения температуры может быть увеличена до 4 ° за 8 ч. Снижение температуры утфеля необходимо проводить в соответствии со стандартной кривой, которая строится перед проведением процесса кристаллизации.

В результате кристаллизации образуется глюкозный утфель – гетерогенная смесь, состоящая из кристаллов глюкозы и межкристального оттека. Содержание сухих веществ в межкристальном оттеке (гидроле) и в кристаллах глюкозы должно находиться в соотношении 1:1 (по 50%). При выходе СВ глюкозного сиропа 105,61 кг выход кристаллической глюкозы составит 52,805 кг, таков же выход гидрола. С целью увеличения выхода кристаллической глюкозы часть гидрола можно возвратить в осахаренный глюкозный сироп и вести кристаллизацию по одностадийной технологической схеме.

Одностадийная схема является более рациональной в сравнении с двухпродуктовой схемой кристаллизации [4]. Технологическая схема одностадийной кристаллизации сиропа с ГЭ 90,5– 91,0%, полученного смешиванием осахаренного сиропа (ГЭ 94,5%) с гидролом (ГЭ 78–79%), позволяет совместить кристаллизацию двух продуктов в одной стадии с получением одного продукта – глюкозы высокого качества при глубоком истощении сиропа. При этом для получения сиропа с ГЭ 91%, направляемого на кристаллизацию, требуется к осахаренному сиропу в количестве СВ 105 кг с ГЭ 94,5% добавить гидрол с ГЭ 80% в количестве СВ около 38 кг. На кристаллизацию направляется глюкозный сироп массой СВ 143 кг с ГЭ 91%. Выход СВ кристаллической глюкозы составит 71,5% без учета потерь при пробелке и сушке.

Новые современные ферментные препараты и технология их использования позволяют получить осахаренный глюкозный сироп из крахмала с ГЭ, близким к 98%. К такому сиропу можно добавить большее количество гид-рола, полученного после кристаллизации и центрифугирования, и тем самым увеличить выход готовой глюкозы.

При истощении глюкозного сиропа важным является величина ГЭ гидрола. Значение ГЭ гидрола можно получить, преобразуя уравнение Переплетчикова, показывающего выход безводной глюкозы по отношению к массе СВ глюкозного сиропа [5]. Как отмечалось выше, процесс кристаллизации глюкозы проводится до содержания кристаллов в утфеле 50%. Уравнение Переплетчикова имеет вид:

⁽ ГЭ - ГЭ ""° = 50% (4) ( ГЭ , - ГЭ , )

где: ГЭ 1 – содержание РВ в сиропе, направляемом на кристаллизацию, %; ГЭ 2 – содержание РВ межкристальном оттеке (гидроле), %; ГЭ 3 – содержание РВ в кристаллической глюкозе, %.

ГЭ 1 сиропа, направляемого на кристаллизацию, складывается из ГЭ осахаренного сиропа (98%) и ГЭ 2 гидрола, которое нам неизвестно. ГЭ 3 кристаллов глюкозы равно 99,5–99,8%, принимаем для расчетов 100%. ГЭ 1 сиропа принимаем на 3–4% ниже ГЭ осахаренного сиропа. Так, если ГЭ осахаренного сиропа 98%, то ГЭ сиропа, направляемого на кристаллизацию, составит (98–3) = 95%. Из уравнения Переплетчи-кова находим ГЭ 2 :

ГЭ 2 = 2^. ГЭ 1 – ГЭ 3 = 2^. 95 – 100 = 90%

Если вернуть больше гидрола в осахаренный сироп и снизить его ГЭ до (98–4) = 94%, то ГЭ 2 будет равно 88%.

Однако следует иметь в виду, что чем выше ГЭ сиропа, направляемого на кристаллизацию, тем выше скорость кристаллизации, меньше длительность и, соответственно, требуется меньше кристаллизаторов для ведения процесса. Так, длительность кристаллизации сиропа с ГЭ 95% составляет 56–60 ч.

Количество сухих веществ гидрола, возвращаемого в жидкий сироп, определяется в соответствии с тем условием, что после смешения сироп, направляемый на кристаллизацию, должен иметь ГЭ = 98 – 3 = 95%:

105,61 - 98 + х - 90 _0/

95 —--------------- , %

105, 61 + х

где x – количество сухих веществ гидрола, возвращаемого в осахаренный сироп.

Количество сухих веществ гидрола, воз- вращаемого в глюкозный сироп, составит:

316,83

х —-----

— 63,37 кг

При получении кристаллической глюкозы предусматривается пробелка сырых кристаллов глюкозы, находящихся в центрифуге, от гидрола на поверхности этих кристаллов при помощи распыления умягченной воды. Количество сухих веществ смываемого водой с поверхности кристаллов гидрола составляет около 7% от СВ всего гидрола. Следует иметь в виду, что при пробелке растворяется около 7% СВ кристаллов, из-за чего уменьшается выход глюкозы. Таким образом, в пробелку, или во второй оттек, переходит около 14% СВ гидрола и глюкозы, которая возвращается в глюкозный сироп.

Во второй оттек (пробелку) переходит 14% СВ сырой глюкозы и гидрола, что составит:

(105,61⋅14)/100 = 14,78 кг.

Половину этого количества (7,39 кг) составляют СВ гидрола с ГЭ 90%, а вторую половину – СВ кристаллической глюкозы с ГЭ 100%. На основании этого РВ второго оттека составляют 95%.

При сушке сырых кристаллов глюкозы возможны потери, которые образуются в цик- лонах в результате отделения глюкозы от отработанного воздуха, в виде глюкозной пыли [6]. Кроме этого, потери могут быть в виде крупки, полученной при рассеве готового продукта.

Количество глюкозной крупки из рассева и глюкозной пыли из циклонов сушилки составляет 1,4% к массе кристаллов глюкозы.

Количество глюкозной пыли и крупки с ГЭ 100% к безводной глюкозе составит:

(105,61 - 0,5 - 7) - 1,4

— 0,64 кг.

Собранную крупку и глюкозную пыль растворяют в воде и возвращают в глюкозный сироп.

Количество СВ глюкозного сиропа, направляемого на кристаллизацию, с учетом возврата составит:

G = 105,61 + 63,37 + 14,78 + 0,64 = 184,4 кг.

На основании этого выход СВ гидратной глюкозы составит:

50 - 184,4

— 92,2 кг.

Будет получено такое же количество и СВ гидрола – 92,2 кг.

Уточненное количество второго оттека (пробелка 7% СВ сырой глюкозы и 7% СВ гид-рола) к СВ глюкозного сиропа составит:

92,2 7/100 = 6,454 кг сырой глюкозы,

92,2 7/100 = 6,454 кг гидрола.

Масса второго оттека, или пробелки составит:

6,454 + 6,454 = 12,908 кг.

Уточненное количество глюкозной пыли и крупки с ГЭ 100% к СВ глюкозного сиропа: (92,2. 1,4)/100 = 1,29 кг.

Уточненное количество гидрола, возвращаемого в производство с целью снижения ГЭ сиропа с 98% до 95%:

95 — 105,61 - 98 + х - 90 + 12,908 - 95 + 1,29 - 100 х

х(105,61 + х +12,908 +1,29)2,%, х —

323, 28 5

— 64,656 кг.

Уточненное количество СВ сиропа, направляемого на кристаллизацию, с учетом возврата: G = 105,61 + 64,656 + 12,908 + 1,29 = 184,464 кг.

Уточненный выход СВ глюкозы:

50 - 184,464

— 92,232 кг.

Выход СВ готовой гидратной глюкозы с учетом отвода глюкозы при пробелке на центрифуге и высушивании составит:

92,232 – 6,454 – 1,29 = 84,488 кг.

Количество сухих веществ общего гидрола:

184,464 – 92,232 = 92,232 кг.

Количество сухих веществ гидрола, выводимое из производства на продажу:

92,232 – 64,656 – 6,454 = 21,122 кг.

При производстве кристаллической гидратной глюкозы получают два продукта: гидратная кристаллическая глюкоза и межкристальный оттек (гидрол).

Количество этих продуктов может изменяться в зависимости от ГЭ осахаренного сиропа, направляемого на кристаллизацию.

На основании вышеизложенного расчета была составлена компьютерная программа, с помощью которой можно определить теоретический выход глюкозы и гидрола, меняя значения ГЭ осахаренного сиропа. На рисунке 1 представлена зависимость выхода кристаллической глюкозы и гидрола от изменения ГЭ осахаренного глюкозного сиропа.

Glucose equivalents (GE) of saccharified syrup, %

Выход кристаллической гидратной глюкозы, %   -■- Выход гидрола, %

Рисунок 1. Зависимость выхода гидратной глюкозы кристаллической глюкозы и гидрола при изменении ГЭ осахаренного сиропа

Figure 1. Dependence of the hydrated crystalline glucose and glucose output at change hydrological ET saccharified syrup

Заключение

Полученная зависимость показывает выход кристаллической гидратной глюкозы