Обоснование применения ударно-активаторно- дезинтеграторной обработки в технологиях получения сиропов из крахмалсодержащего сырья

В настоящее время в промышленно развитых странах свекловичный и тростниковый сахар все больше замещаются сахаристыми продуктами [1]. Различают сиропы (патоки), полученные как продукты при производстве столового сахара из свеклы или сахарного тростника-сырца (черной патоки), и сиропы, полученные из крахмалсодержащего сырья [2]. Все виды паток находят широкое применение в народном хозяйстве - в пищевой промышленности, сельском хозяйстве.

Патоки, полученные при модификации крахмала - крахмальные патоки, применяются в хлебопекарной и кондитерской промышленностях - при производстве хлеба, карамельных конфет, пастилы, мармелада, халвы, ириса, печенья, тортов [3-6], в консервной промышленности для приготовления варенья, повидла и джемов, при производстве мороженного и замороженных десертов [7].

Широко используют патоку для производства пива. Использование патоки в пивоварении обеспечивает снижение себестоимости за счет частичной замены дорогого солода. При производстве водки патока применяется для смягчения вкуса [8].

Крахмальная патока представляет собой продукт, вырабатываемый из крахмала путем его гидролиза с применением кислот и/или амилолитических ферментных препаратов. После гидролиза все сиропы фильтруют, обесцвечивают и сгущают.

До последнего времени при получении крахмальной патоки производился кислотный гидролиз крахмала. Крахмал, поступающий на гидролиз, должен быть достаточно чистым.

Он должен содержать не более 0,2 % растворимых веществ, не более 0,7 % нерастворимого белка, не более 0,13 % золы. Общее количество примесей не должно превышать 1,71,8 %. Очень важно, чтобы крахмал был очищен от белков еще до осахаривания, так как присутствие белка в крахмальной суспензии при варке может привести к сильному пено-образованию.

При кислотном гидролизе разжижение и осахаривание крахмала осуществляется одним катализатором - соляной кислотой. Кислотное осахаривание крахмальной суспензии осуществляется под давлением, а степень осахаривания регулируется путем изменения температуры, продолжительности обработки, рН и давления. Благодаря каталитическому действию находящейся под давлением кислоты крахмал превращается в осахаривателях в декстрозу, мальтозу, мальтотриозу, мальтотетрозу, а также в разнообразные олигосахариды [9].

Осахаренные гидролизаты содержат от 0,9 до 2 % взвешенных частиц, в основном белка, часть нерастворимых примесей гидролизата составляет мезга. Для удаления примесей используют фильтрование и осаждение. После фильтрования получают фильтрат, интенсивность окраски которого зависит от чистоты крахмала, продуктов гидролиза белков, содержания минеральных веществ, органических и жирных кислот, фосфатов и других факторов.

Для обесцвечивания паточного сиропа применяют очистку адсорбентами - активированным углем или ионообменными смолами. Обработка паток ионообменными смолами позволяет получать продукт более высокого качества, более устойчивого при хранении и повторных нагревах [10].

В настоящее время при производстве крахмальных паток применяют кислотноферментативное и многоэтапное ферментативное осахаривание.

При использовании кислотно-ферментативной технологии крахмальное молоко под воздействием кислоты подвергается частичному гидролизу до достижения требуемого декстрозного эквивалента (ДЭ), свидетельствующего о небольшом содержании декстрозы. При кислотно-ферментативном гидролизе разжижение осуществляется соляной кислотой, осахаривание - амилазами [11].

Соляная кислота - недорогостоящий катализатор, однако ее применение имеет ряд существенных недостатков, а именно:

• -    жесткие факторы воздействия на крахмал (низкие значения рН, высокая температура), что приводит к частичной деградации продуктовгидролиза;

• -    реверсия глюкозы с образованием продуктов, придающих неприятный вкус гидролизату;

• -    относительно низкая доброкачественность гидролизатов, обусловленная введением соляной кислоты и ее последующей нейтрализацией. Процесс нейтрализации проводится с целью прекращения гидролиза крахмала до достижения заданной степени осахаривания и переведения свободных минеральных кислот, недопустимых в пищевых продуктах, в безвредные соли [12].

Избежать перечисленных недостатков позволяет метод ферментативного гидролиза крахмала.

При использовании многоэтапной ферментативной технологии крахмальные гранулы вначале стадии клейстеризации, а затем полимерная структура крахмала распадается под действием а-амилаз. С помощью различных технологий можно производить многочисленные виды сиропов, обладающих различной вязкостью, степенью сладости, гигроскопичностью и сбраживаемостью.

Если процесс осахаривания прервать так, чтобы образовались фрагменты, состоящие из молекул глюкозы от 2 до 20, то есть декстрозный эквивалент (ДЭ) не превышал 20, то получим одну из разновидностей паток - мальтодекстрин.

Для производства сиропов с высоким содержанием фруктозы сначала с помощью одной из вышеописанных технологий изготовляют сироп с высоким ДЭ, а затем его подвергают воздействию фермента изомеразы, преобразующего часть декстрозы во фруктозу.

В зависимости от углеводного состава патоку подразделяют на следующие виды:

• -    низкоосахаренная;

• -    карамельная кислотная;

• -    карамельная ферментативная;

• -    мальтозная;

• -    высокоосахаренная.

При ферментативном способе обе стадии гидролиза крахмала осуществляются амилазами - либо а- и в-амилазами ячменного со- лода, либо бактериальными α-амилазами и грибными глюкоамилазами.

При ферментативном способе гидролиза крахмала для разжижения крахмального клейстера применяют термостабильные бактериальные α-амилазы. Их высокая разжижающая активность позволяет перерабатывать крахмальные суспензии с концентрацией крахмала 35–40 %. Поскольку α-амилазы быстро инактивируются при высоких концентрациях Н+-ионов, разжижение ведут при стабильный для фермента зоне рН – 5,5–7,0.

Нагревание осуществляется ступенчато, до температуры соответствующей температуре клейстеризации крахмала, при этом одновременно с образованием крахмального клейстера под действием термостабильной α-амилазы идет его гидролиз. Конечная температура обработки от 80 до 100 °С. Разжижение занимает от 2 до 4 часов и обычно завершается, когда количество редуцирующих веществ составит 20–25 %.

Вторая стадия ферментативного гидролиза осуществляется ферментными препаратами, содержащими глюкоамилазную активность. Осахаривание ведется при температуре 55–58 °C и рН 5,0–5,5. Дозировка препарата может составлять 0,15–0,20 % к сухому крахмалу в расчете на активность препарата 250 ед./г. Продолжительность осахаривания колеблется от 3 до 6 часов, в зависимости от назначения вырабатываемой патоки. Затем крахмальную суспензию нагревают до температуры 90 °С для инактивации ферментов, осветляют, фильтруют и выпаривают до содержания сухих веществ 78 %.

Готовый сахаристый продукт – крахмальная патока, сироп, представляет собой бесцветную или слегка желтоватую, очень вязкую жидкость сладкого вкуса. Сладость её в 3–4 раза ниже сладости сахарозы. Недостатком таких сиропов является отсутствие в патоке биологически активных веществ, к которым можно отнести аминокислоты.

Один из способов получения паток с другими качественными показателями – это получение их из цельного зерна, при котором предусматривается предварительное измельчение зерна и последующий ферментативный гидролиз в две стадии.

На первой технологической стадии процесса происходит разжижение крахмала с использованием комплексного ферментного препарата, содержащего а-амилазу, протеазу и бета-глюконазу из культур микроорганизмов.

Данный способ получения сиропов позволяет получать мальтозный сироп из цельного зерна без предварительного выделения из него крахмала, сокращать общую продолжительность процесса и обеспечивает высокую чистоту получаемого продукта, обогащенного не только моно и дисахаридами, но и белками, пищевыми волокнами, витаминами, минеральными веществами. Но в настоящее время не существует технологии получения из цельного зерна концентрированных сиропов. По этой причине научные работы в данной области являются актуальными [13].

Исследования, проведенные на крахмале, содержащемся в зерне, показали, что регулировать значение точки клейстеризации крахмала возможно либо дозой внесения комплекса ферментных препаратов амилолитического и целлюлолитического действия [14], либо степенью деструкции зернового сырья [15].

Деструкция зернового сырья может осуществляться различными способами: механическое дробление, экструдирование, кавитация и другие.

Механизм кавитационной обработки зерна заключается в вихревом перемешивании массы, что приводит к разрушению оболочки растительных клеток, мелкодисперсному измельчению частиц зерна для освобождения крахмала и увеличения поверхностной площади его взаимодействия с ферментами. По данной технологии в жидкой зерновой патоке накапливается до 14 % простых сахаров (глюкоза) [16].

Провести глубокую деструкцию зернового сырья можно с помощью обработки зерна инфракрасным излучением (ИК излучение). Так как величина плотности потока ИК излучения достаточно большая, то влага, сконцентрированная в зерне, нагревается до 110–150 °C, что приводит к быстрому повышению давления водяных паров, при этом уменьшаются прочностные характеристики зерна [17, 18].

Для предгидролизной обработки сырья используются также машины ударного действия (дезинтеграторы и дисмембраторы), кольцевые измельчители, штифтовые разрыхлители. Среди этого ряда установок особый интерес представляют дезинтеграторы.

Дезинтеграторы – это устройства, работа которых основана на принципе свободного удара (поэтому в названии метода на первом месте стоит ударная обработка). Измельчаемый материал непрерывно подается в рабочую камеру в центр между двумя высокоскоростными вращающимися в противоположных направлениях роторами. На каждом роторе концентрическими окружностями установлены ударные органы – пальцы. Роторы входят друг в друга таким образом, что концентрические окружности с пальцами одного ротора размещаются внутри концентрических окружностей с пальцами другого.

Частицы измельчаемого материала сначала сталкиваются с одним из пальцев первого (внутреннего ряда) и разрушаются при столкновении. Получившиеся осколки отбрасываются по касательной к окружности вращения этого ряда пальцев и сталкиваются с идущими им навстречу пальцами второго ряда. После вторичного разрушения осколки отбрасываются по касательной к окружности вращения второго ряда пальцев и сталкиваются с пальцами третьего ряда и так далее. Измельченный таким образом материал ссыпается в приемный бункер через разгрузочный патрубок в нижней части рабочей камеры.

Особенностью и преимуществом дезинтеграторов по сравнению с другими мелющими агрегатами является быстротечность процессов измельчения, когда за интервал времени порядка 10 с–2 обрабатываемый в этих установках материал получает от 2 до 7 высокоинтенсивных удара.

При интенсивном механическом воздействии на исходное сырье возникают явления, которые в корне отличаются от процесса «мягкой» обработки. Структура и текстура материала претерпевают радикальные изменения. Происходит возрастание избыточной энергии системы, разрыв межмолекулярных связей, стабилизирующих надмолекулярную структуру природных органических полимеров, понижение плотности, возрастание площади поверхности, изменение валентных углов и межмолекулярных расстояний полимерных цепей, ослабление кристалличности. Все эти процессы объединяются в понятие механохимической дезагрегации [19].

Степень деструкции на предмет доступности к органическим веществам (в частности к углеводам) при различных способах измельчения с точки зрения максимальной доступности к компонентам, составляющим зерна пшеницы, оценивалась анализом химиче- ского состава, полученного с использованием хроматографа. При этом было установлено, что в ходе УДА-обработки пшеницы в исследуемых пробах: глюкоза ( %) – 1,41 (трехрядный ротор), 1,48 (пятирядный ротор), а также мальтоза ( %) – 2,05 (трехрядный ротор), 1,84 (пятирядный ротор). Следует отметить, что при роторном размоле (близком к обработке вальцами) содержание глюкозы в пробе составляет 1,21 % и наблюдается полное отсутствие мальтозы. А этот факт свидетельствует, что в результате УДА-обработки зерен пшеницы происходит безферментное разрушение крахмала [20].

Выводы. Применение композиции ферментных препаратов и предварительной ме-ханохимической активации зернового сырья на установках ударно-активаторно-дезинтег-раторного действия создают предпосылки для разработки новых инновационных технологий получения сиропов из цельного зерна, что может служить альтернативой технологиям получения паток из крахмала.