Сахаристые гидролизаты крахмала. Спирт из древесины (гидролизный спирт)
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Введение
Этиловый спирт находит широкое применение в народном хозяйстве в качестве растворителя, также применяется в производстве дивинила, в пищевой и медицинской промышленности, в качестве горючего для ракетных двигателей, антифриза и т.д., является важным промежуточным продуктом органического синтеза (в производстве сложных эфиров, целлулоида, искусственного шелка, ацетальдегида, уксусной кислоты, хлороформа, хлораля, диэтилового эфира и других продуктов).
Таким образом, этиловый спирт относится к числу многотоннажных продуктов основного органического синтеза, мировое производство этилового спирта составляет свыше 2,5 млн. т/г (по объему производства занимает первое место в мире среди всех органических продуктов).
Суть биохимической технологии приготовления спирта состоит в следующем: вначале крахмалосодержащее сырье измельчают и разваривают до полного разрушения структуры клеток и растворения крахмала, содержащегося в них. Затем растворенный крахмал «осахаривают», то есть подвергают гидролизу под действием ферментов солода или микробных ферментных препаратов. Потом полученное «осахаренное» сусло сбраживают спиртовыми расами дрожжей. При этом происходит расщепление глюкозы под действием ферментов дрожжей. Основными продуктами брожения являются этиловый спирт и углекислый газ. Зрелая бражка содержит также побочные вторичные продукты брожения» альдегиды, кетоны, спирты сивушного масла, глицерин, карбоновые кислоты и др.
Для выведения и очистки спирта из бражки специалисты завода пользуются методами брагоректификации, обладая при этом уникальной брагоректификационной установкой, оснащенной автоматизированной системой управления, что позволяет исключить влияние человеческого фактора и, тем самым, значительно повысить качество спирта.
Брагоректификационные процессы проходят в несколько стадий, во время которых спирт концентрируется и освобождается от определенной части примесей. В результате получается ректификованный (очищенный) спирт соответствующий ГОСТу Р 51652 - 2000. Сегодня технология ректификации, разработанная специально для завода ведущими учеными России, позволяет получать спирты, которые содержат примесей на порядок меньше, чем предусмотрено ГОСТом.
1. Производство спирта
До недавнего времени производство этилового спирта основывалось на пищевом сырье - сбраживание крахмала из некоторых зерновых культур и картофеля с помощью ферментов, вырабатываемых дрожжевыми грибками. Этот способ сохранился и до сих пор, но он связан с большими затратами пищевого сырья и не может удовлетворить промышленность. Другой метод, также основанный на переработке растительного сырья, заключается в переработке древесины (гидролизный спирт). Древесина содержит до 50% целлюлозы, и при ее гидролизе водой в присутствии серной кислоты образуется глюкоза, которую подвергают затем спиртовому брожению:
(C 6 H 10 O 5) x + xH 2 O xC 6 H 12 O 6 ,
C 6 H 12 O 6 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 .
Синтетический этиловый спирт получают гидратацией этилена.
Гидратация этилена осуществляется двумя методами: при помощи серной кислоты (сернокислая гидратация) и непосредственным взаимодействием этилена с водяным паром в присутствии катализатора.
Технология спирта включает в себя следующие процессы: подготовка сырья к развариванию, разваривание зерна водой для разрушения клеточной структуры и растворения крахмала, охлаждение разваренной массы и осахаривание крахмала ферментами солода или культур плесневых грибов, сбраживания сахаров дрожжами в спирт, отгонку спирта из бражки и его ректификацию.
Для приготовления солода используют высококачественные ячмень, рожь, овес и просо, которые должны удовлетворять требованиям, приведенным в таблице №1. Цвет ячменя светло-желтый, допускается потемневший; овса белый или желтый; проса желтый, красный, серый, белый; ржи желтый и зеленый разных оттенков; запах, свойственный зерну; не допускается затхлый, плесенный и другие посторонние запахи.
Таблица 1. Характеристика качества зерна
Качество зерна, идущего на разваривание, не регламентируется. Желательно, чтобы зерно было здоровое, высокой крахмалистости, влажностью 14-17% в зависимости от культуры и с небольшой засоренностью. Предварительно здоровое зерно оценивают органолептически.
Подготовка зерна.
Все виды зерна, поступающего в производство, очищают от пыли, земли, камней, металлических и других примесей. Зерно, предназначенное для приготовления солода, освобождают также от щуплых зерен, половинок и семян сорных растений.
Воздушно-ситовое сепарирование. Примеси, отличающиеся от зерна данной культуры толщиной (шириной) и аэродинамическими свойствами (парусностью), отделяют на воздушно-ситовом сепараторе. При очистке ячменя, овса и проса производительность сепаратора снижается на 20…30%. В очищенном зерне содержание примесей не должно превышать 1%.
Магнитное сепарирование. Мелкие металлические примеси, содержащиеся в зерне после очистки в воздушно-ситовых сепараторах, удаляют с помощью магнитных сепараторов.
Отделение семян сорных растений. С помощью сит зерно можно разделить только по толщине и ширине. Примеси, отличающиеся от основной культуры длиной зерна, выделяют на машинах, называемых триерами. Рабочий орган триера - цилиндр или диск с ячейками, выбирающими из зерновой массы короткие частицы. В зависимости от назначения различают два вида триеров: куколеотборники - выделяющие из основной культуры половинки зерен и шаровидные примеси, например семена куколя; овсюгоотборники - выделяющие зерно основной культуры, например ячменя, ржи, из смеси его с длинными зернами овса и овсюга.
Разваривание сырья.
Разваривание осуществляют для разрушения клеточных стенок, освобождения крахмала из клеток и перевода его в растворимую форму, в которой он быстрее и легче осахаривается ферментами. Разваривание крахмалсодержащего сырья проводят путем обработки его паром с избыточным давлением 400 - 500 кПа.
При разваривании происходит ряд сложных физических, физико-химических и химических изменений. При тепловой обработке в процессе разваривания идет интенсивное набухание крахмала, его кластеризация и переход в растворимую форму, обусловленные интенсивным поглощением воды. При выходе разваренной массы из варочного аппарата давление снижается до атмосферного, что вызывает превращение содержащейся в клетках воды в пар, объем которого в несколько раз превышает объем воды. Такое резкое увеличение объема приводит к разрыву клеточных стенок сырья и превращению его в однородную массу. Процесс разваривания сопровождается увеличением содержания сахаров и декстринов за счет частичного гидролиза крахмала под действием собственных ферментов сырья и естественной кислотности. Высокая температура па стадии разваривания вызывает протекание процессов меланоидинобразования (взаимодействие сахаров с аминокислотами), термического разложения сахаров (карамелизапня) и других, что приводит к снижению количества сбраживаемых сахаров.
В настоящее время разваривание крахмалсодержащего сырья производят тремя способами: периодическим, полунепрерывным и непрерывным. Наибольшее распространение получило непрерывное разваривание по двум схемам. По первой схеме разваривание осуществляют при пониженной температуре (130 - 140°С), но длительное (50 - 60 мни). По второй схеме температура разваривания 165 - 172°С и продолжительность варки 2 - 4 мин. При непрерывном разваривании сырье постоянным потоком движется через варочный аппарат для обеспечения равномерности потока сырье измельчают.
Непрерывное разваривание измельченного сырья включает операции: дозирование сырья и воды, приготовление замеса и разваривание в две стадии (нагрев замеса до температуры варки и выдержка замеса при этой температуре). Процесс непрерывного разваривания осуществляется следующим образом. Измельченное зерно смешивают с водой в количестве 2,0-3,5 л на 1 кг зерна. Воду добавляют с таким расчетом, чтобы концентрация зернового замеса составляла 16-17% сухого вещества. Зерновой замес нагревают вторичным паром до 70-75°С и подают насосом в контактную головку, где происходит мгновенный нагрев замеса (кашки) паром до 100-110°С. Затем подогретый замес подают в варочный аппарат, состоящий из 2 - 4 ступеней (колонн).
2. Охлаждение разв аренной массы и её осахаривание
При осахаривании охлажденную разваренную массу обрабатывают солодовым молоком или ферментными препаратами для расщепления крахмала и белков. При этом основным процессом является гидролиз крахмала до сбраживаемых дрожжами Сахаров.
При осахаривании разваренной массы солодовым молоком: крахмал гидролизуется на 70-75% до мальтозы и глюкозы и на 25-30% до предельных декстринов, которые расщепляются: до Сахаров на стадии брожения. При использовании солодового молока получается сусло, содержащее 71-78% мальтозы и 22-29% глюкозы от суммы всех сбраживаемых Сахаров. Сусло, полученное при осахаривании ферментными препаратами микробного происхождения, содержит 14-21% мальтозы и 79 - 81% глюкозы.
Такое различие в продуктах гидролиза крахмала при использовании разных осахаривающих материалов связано с тем, что в солодовом молоке содержатся A - и (B-амилаза и декстриназа, а ферментные препараты микробного происхождения содержат A-амилазу и глюкоамилазу. Все эти ферменты отличаются по характеру действия на крахмал и по отношению к температуре и кислотности среды. В зависимости от происхождения A-амилазы могут расщеплять крахмал только до декстринов (A-амилазы бактериального происхождения) или образуют и декстрины, и сахара (большинство A-амилаз грибного происхождения и ферменты солода). Поэтому осахаривание разваренной массы осуществляют при определенных температуре, кислотности, концентрации субстрата и осахаривающего материала.
Наиболее прогрессивным способом осахаривания является непрерывное осахаривание с вакуум-охлаждением. Сущность его заключается в снижении давления, что приводит к мгновенному охлаждению разваренной массы вследствие затрат тепла на испарение воды. Охлаждение под вакуумом предотвращает тепловую инактивацию ферментов осахаривающих материалов. К охлажденной массе добавляют осахариваюшие материалы. Оптимальная температура действия амилолитических ферментов 57-58°С. Непрерывное осахаривание разваренной массы производят по одно или двухпоточному способу. При однопоточном способе в осахариватель (цилиндрический аппарат с коническим днищем и мешалкой) подают разваренную массу, все расчетное количество осахаривающих материалов и выдерживают в течение 10 - 15 мин. При двухпоточном способе разваренную массу разделяют на два равных потока и направляют в два осахаривателя. В первый осахариватель подают 2/3 осахаривающих материалов, во второй частично осахаренное сусло охлаждают и подают на брожение в первый и второй головные аппараты бродильной батареи.
Готовое сусло должно содержать 16 - 18% сухого сахара, в том числе 13 - 15% сбраживаемых сахаров; кислотность 0,2 - 0,3 град. При пробе на йод окраска сусла не должна изменяться.
3 . Сбраживание
Сбраживание осахаренной массы (сусла) начинается с момента введения в нее производственных дрожжей; Под действием ферментов дрожжей идет расщепление мальтозы до глюкозы, которая затем сбраживается в спирт и диоксид углерода - основных продуктов брожения. Наряду с этим образуются вторичные и побочные продукты брожения: высшие спирты, кислоты и эфиры. По мере сбраживания моно - и дисахаридов под действием амилолитических ферментов происходит доосахаривание декстринов и крахмала, содержащихся в сусле. От скорости этого процесса зависит длительность брожения.
В процессе брожения сусла можно выделить три периода: взбраживание, главное брожение и дображивание. В первом периоде происходит интенсивное размножение дрожжей и сбраживание Сахаров. Второй период характеризуется энергичным сбраживанием Сахаров и сопровождается бурным выделением диоксида углерода. В третьем периоде идет медленное дображивание Сахаров, образующихся в результате доосахаривания декстринов сусла.
Процесс брожения проводят в закрытых бродильных аппаратах для предотвращения потерь спирта и выделения диоксида углерода в производственное помещение. Герметически закрытый бродильный аппарат представляет собой вертикальный цилиндр со сферическим или коническим днищем, внутри него установлен змеевик для охлаждения бродящего сусла.
Брожение сусла проводят периодическим, циклическим и непрерывнопоточным способами. Наиболее совершенным и эффективным является непрерывнопоточный метод, осуществляемый па установке, состоящей из двух дрожжанок, взбраживателя и 8-10 бродильных аппаратов, последовательно соединенных переточными трубами. Дрожжанки и взбраживатель предназначены для приготовления необходимого количества производственных дрожжей. Процесс происходит следующим образом. Дрожжанку заполняют суслом, пастеризуют его при 80°С в течение 30 мин, охлаждают до 30°С, доводят рН до 3,6-3,8 серной кислотой и вводят из второй дрожжанки засевные дрожжи в количестве 25-30% от объема. Размножение дрожжей идет до достижения содержания сухого вещества в сусле 5 - 6% - Затем 70 - 75% дрожжей переводится во взбраживатель, куда одновременно подается охлажденное сусло, производится подкисление всей массы до требуемой кислотности. Массу в таком виде оставляют для брожения и размножения дрожжей. Оставшаяся часть дрожжей (25%) подается во вторую дрожжанку для размножения.
Когда содержание сухого вещества достигнет 5 - 6%, массу подают в первый головной бродильный аппарат, в который одновременно подается охлажденное сусло. При заполнении первого головного бродильного аппарата сбраживаемое сусло на него перетекает, во второй головной аппарат, из него - в третий и т.д. Длительность брожения составляет 60 ч. Из последней, аппарата зрелая бражка подается на перегонку. При брожении в аппаратах поддерживается определенная температура: в первом - 26 - 27°С, во втором - 27, в третьем - 29 - 30, в последующих - 27-28°С.
Выделяющийся при брожении диоксид углерода вместе с парами спирта из бродильных аппаратов поступает в специальные ловушки, и которых происходит растворение спирта и отделение диоксида углерода. Водно-спиртовая жидкость из ловушки направляется вместе с бражкой на перегонку, а диоксид углерода - в специальный цех для получения сухого льда или жидкого диоксида углерода.
Зрелая бражка должна соответствовать установленным нормам. Крепость бражки (содержание этилового спирта в объемных процентах) должна находиться в пределах 8,0-9,5 об.%: содержание несброженных Сахаров не должно превышать 0,4 - 0,5%; кислотность зрелой бражки не должна превышать 0,5-0,6 град.
4 . Отгонка спир та из бражки и его ректификация
Получаемая в результате брожения зрелая бражка имеет сложный состав. Кроме воды и спирта она содержит различные органические и неорганические соединения: сахара, декстрины, минеральные вещества, летучие соединения (эфиры, спирты, альдегиды, кислоты) и др. Состав и содержание примесей зависит от вида сырья, его качества, режимов его переработки в ходе технологического процесса.
Для выделения спирта из бражки и его очистки применяется ректификация. Ректификацией называется процесс разделения смеси, состоящей из двух или большего числа компонентов, кипящих при разных температурах. При кипении такой смеси компонент с более высокой упругостью пара (более летучий) переходит в паровую фазу в относительно больших количествах, а паровая фаза обогащается более летучим компонентом. Температура кипения этого компонента при постоянном давлении ниже. Поэтому при кипении смеси летучих компонентов паровая фаза обогащается компонентом, имеющим более низкую температуру кипения. В водно-спиртовом растворе упругость паров спирта при любой температуре значительно выше упругости паров воды. Вследствие этого содержание спирта в парах больше, чем в кипящем водно-спиртовом растворе.
Очистка спирта от примесей путем перегонки основана на различии коэффициентов их испарения. Коэффициентом испарения называется отношение концентрации данного вещества в паровой фазе к концентрации в жидкой фазе. Коэффициенты испарения отдельных примесей отличаются один от другого и изменяются в зависимости от содержания этилового спирта. Для определения возможности очистки этилового спирта от примесей необходимо сравнить коэффициент испарения примесей с коэффициентом испарения этилового спирта.
При коэффициенте ректификации, равном единице, перегонка неэффективна, так как дистиллят после нее остается без изменения. Если коэффициент ректификации больше единицы, то в дистилляте больше примесей, чем в первоначальной смеси. Если коэффициент ректификации меньше единицы, то в дистилляте меньше примесей, чем в перегоняемой смеси. Для головных примесей коэффициент ректификации больше единицы, для хвостовых - меньше.
Очистку спирта-сырца от примесей производят в настоящее время преимущественно на ректификационных установках непрерывного действия, в которых спирт-сырец освобождается от примесей в соответствии со значениями коэффициентов испарения. Такие установки используются на ликеро-водочных заводах, где основным сырьем является спирт-сырец.
Ректификованный спирт в настоящее время на спиртовых заводах получают непосредственно из бражки на брагоректификационных установках косвенного действия. В установку входят три колонны: бражная. операционная и ректификационная. В бражной колонне из бражки выделяют этиловый спирт и летучие примеси, в операционной отделяют головные примеси, в ректификационной получают ректификованный спирт. В состав установки входят две дополнительные колонны - сивушная и окончательная. Сивушная колонна предназначена для выделения фракции высших спиртов (сивушное масло) и их концентрации, а окончательная колонна - для дополнительного освобождения этилового спирта от примесей.
На установке косвенного действия процесс ректификации осуществляется следующим образом. Бражку подогревают до 90°С в бражном подогревателе и подают на верхнюю тарелку бражной колонны, в которую снизу поступает греющий пар. Пары, поднимающиеся из бражной колонны, поступают в конденсатор через бражный подогреватель, где отдают тепло поступающей в бражную колонну зрелой бражке. В конденсаторе пар полностью конденсируется и полученный конденсат крепостью 45 - 55 об.% поступает в операционную колонну.
Заключение
спирт этиловый гидролиз ректификация
Производство качественного пищевого спирта в нужных объемах нуждается в постоянном наличии сырья, будь то зерно или картофель.
Технология производства спирта - это многоэтапный технологический процесс.
Технология производства спирта состоит из различных по характеру и происхождения операциям от механических (подготовка сырья) до тепло-массообменных (ректификация), а также использование ферментов микробиологического и биологического происхождения вместе с дрожжами.
Не смотря на давность становления технологии производства, существует множество способов усовершенствования производства и увеличения выхода и качества продукции: модернизации старого оборудования, разработка новых аппаратов, улучшение штаммов микроорганизмов и дрожжей, ведение селекционной работы по получению высококачественного сырья.
Литература
Общая химическая технология: Учебник для химико-технологических специальностей. Т. 2.
Важнейшие химические производства. / Мухленов И.П., Авербух А.Я., Кузнецов Д.А. и др. Под редакцией И.П. Мухленова. - М.: Высш. шк., 1984.
Тимофеев В.С., Серафимов Л.А. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза. - М.: Химия, 1992.
Кононова Г.Н., Сафонов В.В. Учебно-методическое пособие «Производство этилового спирта прямой гидратацией этилена».
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Получение этилового спирта сбраживанием пищевого сырья. Гидролиз древесины и последующее брожение. Получение этилового спирта из сульфитных щёлоков. Сернокислотный способ гидратации этилена. Физико-химические основы процесса. Отделение гидратации этилена.
дипломная работа , добавлен 16.11.2010
Исходное сырье для производства этилового спирта и способы его получения. Физико-химическое обоснование основных процессов производства этилового спирта. Описание технологической схемы процесса производства, расчет основных технологических показателей.
курсовая работа , добавлен 04.01.2009
Технологические особенности и этапы, сырьевая и материальная база для изготовления этилового спирта в химической промышленности, его главные физические и химические свойства, направления практического использования. Гидратация этилена и ее схема.
курсовая работа , добавлен 16.10.2011
Определение спиртов, общая формула, классификация, номенклатура, изомерия, физические свойства. Способы получения спиртов, их химические свойства и применение. Получение этилового спирта путем каталитической гидратации этилена и брожения глюкозы.
презентация , добавлен 16.03.2011
Описание процесса производства изопропилового спирта методом сернокислой гидратации пропилена. Характеристика сырья и готовой продукции. Расчет холодильника, материального и теплового баланса колонны. Технико-экономические показатели работы установки.
дипломная работа , добавлен 27.11.2014
Методы получения целевого продукта. Термодинамический анализ реакции. Восстановление карбоновых кислот. Реакция глицерина с щавелевой кислотой. Гидрирование пропаргилового спирта. Селективное гидрирование акролеина или пропаргилового спирта над палладием.
дипломная работа , добавлен 18.05.2011
Основные химические свойства ацетона и изопропилового спирта, области применение и влияние на человека. Получение изопропилового спирта из ацетона. Тепловой и материальный баланс адиабатического РИВ и РПС. Программы расчёта и результаты, выбор реактора.
курсовая работа , добавлен 20.11.2012
Производство ацетона брожением крахмала. Производство ацетона из изопропилового спирта. Обоснование создания эффективной ХТС. Определение технологической топологии ХТС. Построение математической модели ХТС. Свойства и эффективность функционирования.
курсовая работа , добавлен 12.02.2009
Физические и химические свойства спиртов, их взаимодействие с щелочными металлами. Замещение гидроксильной группы спирта галогеном, дегидратация, образование сложных эфиров. Производство этилового, метилового и других видов спиртов, области их применения.
презентация , добавлен 07.04.2014
Промышленное производство бутадиена из этилового спирта в присутствии бифункционального катализатора. Характеристика бутадиена и область его применения. Подготовка алюмохромового катализатора к работе. Продукт термохимической активации гидраргиллита.
Крахмалопродукты, обладающие сладким вкусом, получают, используя способность крахмала осахариваться под действием кислот и ферментов. При кислотном гидролизе крахмала под действием ионов водорода разрываются а-1,4- и а-1,6-гликозидные связи. По месту разрыва атом водорода воды с кислородом гликозидного мостика образует у первого углеродного атома остатка глюкозы альдегидную группу в полуацетальной форме. С увеличением числа разрывов возрастает редуцирующая способность гидролизатов. Конечный продукт кислотного гидролиза крахмала - глюкоза. Превращение крахмала в глюкозу выражается общим уравнением: В зависимости от условий и длительности кислотного гидролиза получают крахмальные гидролизаты, различающиеся по углеводному составу: содержанию декстринов, тетра- и трисахаридов, мальтозы, глюкозы.
Крахмальные гидролизаты с высоким ГЭ более сладкие, гигроскопичны, повышают осмотическое давление, обладают консервирующим действием. Гидролизаты с низким ГЭ отличаются высокой вязкостью, антикристаллизационным действием, способны стабилизировать пены и эмульсии.
В настоящее время все большее значение приобретает гидролиз крахмала с применением ферментов. Они действуют специфично. Поэтому получают гидролизаты с заданным углеводным составом. Гидролизаты крахмала получают также комбинированным кислотно-ферментативным способом.
Общими стадиями производства гидролизатов крахмала являются: подготовка крахмала к переработке - размывка, очистка от примесей; гидролиз крахмала - клейстеризация, разжижение и осахаривание до нужной стадии (проверяется по йодной пробе); нейтрализация кислоты или инактивация ферментов; очистка гидролизатов от нерастворимых и растворимых примесей, в том числе красящих веществ; концентрирование - выпаривание продуктов, получаемых в жидком виде, выпаривание и высушивание или кристаллизация порошкообразных продуктов.
Крахмальная патока
Крахмальную патоку вырабатывают из злакового и картофельного крахмала.
Патока - продукт неполного гидролиза крахмала; представляет собой сладкую густую, очень вязкую жидкость, бесцветную или с желтоватым оттенком. Патока относится к основным видам сырья кондитерского производства, используется для приготовления товарных сиропов, в хлебопечении. Основные вещества, входящие в состав патоки: декстрины, глюкоза, мальтоза. Редуцирующая способность патоки обусловлена глюкозой и мальтозой. От содержания глюкозы зависят сладость патоки, ее гигроскопичность. Патока, в которой редуцирующие вещества представлены в большей мере мальтозой, менее гигроскопична. Чем больше в патоке декстринов, тем выше ее вязкость и способность задерживать кристаллизацию сахаров.
В зависимости от назначения патоку вырабатывают низкооса-харенную, со средней степенью осахаривания крахмала - карамельную и высокоосахаренную - глюкозную. Массовая доля редуцирующих веществ (в пересчете на сухое вещество, %) в патоке: низкоосахаренной - 30-34, карамельной - 34-44 и глюкозной высокоосахаренной - 44-60.
В кондитерском производстве используют патоку с пониженным содержанием глюкозы для изготовления изделий, способных легко поглощать влагу из окружающей среды,- карамели, халвы, а с повышенным - для изделий, быстро высыхающих при хранении,- помады, сбивных конфет, бисквитов и др. На состав и качество патоки существенно влияет способ гидролиза крахмала.
Патока кислотного гидролиза. При получении патоки гидролиз крахмала под действием соляной кислоты осуществляют при избыточном давлении и температуре около 140 °С.
Низкоосахаренная патока кислотного гидролиза наряду с глюкозой содержит высокомолекулярные декстрины разной степени полимеризации, в том числе приближающиеся по свойствам к крахмалу. Такие декстрины способны к быстрой ретроградации. Патока легко утрачивает прозрачность, становится молочного цвета. Ее высокая вязкость и липкость осложняют выработку карамели.
При более глубоком кислотном гидролизе крахмала наряду с его осахариванием протекают побочные реакции реверсии и разложения глюкозы. Реверсия глюкозы - обратимый процесс ее полимеризации с образованием в основном дисахаридов - гентиобиозы, изомальто-зы и других, а также трисахаридов и более сложных олигосаха-ридов: 
В крахмальных гидролизатах продукты реверсии глюкозы могут составлять 5 % и более. Они задерживают процессы кристаллизации сахарозы в сахаропаточных сиропах вследствие повышения растворимости смеси сахаров.
Разложение глюкозы при гидролизе крахмала обусловлено кислой реакцией среды и высокой температурой. В этих условиях возможна дегидратация глюкозы. При отделении от глюкозы трех молекул воды образуется оксиметилфурфурол - неустойчивое 
соединение, способное разлагаться до левулиновой и муравьиной кислот. При полимеризации оксиметилфурфурола образуются красящие вещества желто-коричневого цвета.
Накапливающиеся в патоке продукты разложения глюкозы ухудшают ее состав, цвет, повышают гигроскопичность. В патоке обнаружено содержание 0,002-0,008 % оксиметилфурфурола. Примеси, присутствующие в крахмале, способствуют протеканию при высокой температуре и других побочных реакций с образованием темноокрашенных соединений. Патоку, уваренную в вакуум-аппарате до 78 % сухих веществ, быстро охлаждают до 40-45 °С. Кислотным способом получают в основном карамельную патоку - средней степени осахаривания.
Высокоосахаренная - глюкозная патока, полученная кислотным гидролизом, неустойчива при хранении из-за кристаллизации глюкозы. Она имеет горький привкус вследствие содержания продуктов реверсии, повышенную цветность.
Нормируются (в пересчете на сухое вещество), помимо редуцирующих веществ, зольность - не более 0,4-0,55%, кислотность в зависимости.от сорта и вида крахмала - от 12 до Е7 мл 1 н. раствора NaOH, рН патоки - не ниже 4,6. При варке карамельной пробы из патоки должен образовываться прозрачный леденец без темных пятен и прожилок.
Патока ферментативного гидролиза. Процесс гидролиза протекает при невысокой температуре (около 60 °С). Используют ферменты проросших зерен злаковых культур, плесневых грибов и бактерий. Амилолитические ферменты расщепляют, разжижают и оса-харивают крахмал. Они действуют специфично, поэтому получают гидролизаты с заданным углеводным составом.
Фермент а-амилаза расщепляет а-1,4-гликозидные связи преимущественно в середине макромолекул амилозы и амилопектина, образуя низкомолекулярные декстрины и немного мальтозы. Р-амилаза гидролизует также а-1,4-гликозидные связи крахмала, но отщепляет последовательно с нередуцирующих концов цепей по два остатка глюкозы - мальтозу. Этот фермент гидролизует амилозу почти полностью, амилопектин - на 50-55 %, так как прекращает действие у ответвлений молекул со связью а-1,6-, оставляя нерасщепленными высокомолекулярные декстрины. Глю-коамилаза полностью гидролизует крахмал.
/Низкоосахаренную крахмальную патоку ферментативного гидролиза получают, применяя фермент а-амилазу. Патока отличается пониженным содержанием редуцирующих веществ, особенно глюкозы. В ее состав входят в основном низкомолекулярные декстрины. рН на уровне 5,6. Эта патока остается прозрачной и жидкой при хранении. Ее используют при производстве малогигроскопичной карамели, других кондитерских изделий, для которых важно снижение гигроскопичности.
Высокоосахаренную патоку вырабатывают при кислотно-ферментативном гидролизе. Вначале крахмал гидролизуют кислотой до содержания 42-50 % редуцирующих веществ, затем в нейтрализованный, охлажденный до 55 °С гидролизат добавляют ферментный препарат а-амилазы и доводят содержание глюкозы до 41 - 43 %. При этом способе уменьшается образование продуктов реверсии и разложения глюкозы. Патока имеет чистый сладкий вкус. Она может применяться для частичной замены сахара при производстве пастилы, помадных конфет и других изделий.
Высокоосахаренная патока с более высоким содержанием глюкозы (47%) и общего количества редуцирующих веществ (68-75 %) может быть получена, если использовать фермент глюко-амилазу. Эту патоку используют в хлебопечении, в пивоварении.
УМальтозная патока более известна как продукт, который получают из крахмала и крахмалосодержащего сырья - кукурузы, просяной, сортовой муки. Для осахаривания крахмала добавляют солод, содержащий мальтообразующий фермент р-амилазу. Цвет этой патоки - коричневый, запах - слегка солодоватый, вкус - сладкий, с солодовым привкусом. Редуцттруготдтгх вещеет» содержится не менее 65 %, золы - не более 1,3 % в пересчете на сухое вещеетво. Используют мальтозную патоку в хлебопечении или как сладкий сироп. Разработана новая технология получения мальтозных паток. Их готовят из крахмала с применением ферментных препаратов. Благодаря низкому содержанию глюкозы (до 10 %) полученная таким способом мальтозная патока малогигроскопична, имеет невысокую вязкость, пригодна для приготовления леденцовой карамели.
Высокомальтозную патоку применяют для получения новых продуктов - гидрогенизированных крахмальных сиропов. В зависимости от углеводного состава патоки эти сиропы содержат мальтитол, сорбитол и многоатомные спирты. Они слаще исходной патоки. По сладости мальтитол примерно соответствует сахарозе, организмом не усваивается, поэтому может быть использован при изготовлении, вдзкокалйрииных продуктов питания. Декстрино-мальтозную патоку получают преимущественно из картофельного крахмала под действием ферментов солодовой вытяжки. Это вязкая густая жидкость янтарно-желтого цвета с солодовым запахом и привкусом, содержит примерно равное количество мальтозы и декстринов, немного глюкозы (не бо/iee 10 % к массе сухого вещества патоки).
Мальтозно-декстриновую патоку выпускают с содержанием/сухих веществ 79 или 93 % (сухую). С этой патокой готовят продукты для питания детей раннего возраста - молочные смеси й др.
Мальц - экстракт - диетический пищевой продукт, представляющий собой уваренную водную вытяжку самого солода.
Хранение и транспортирование крахмальной патоки. Патоку хранят в баках вместимостью до 2000 т, внутренняя поверхность которых покрыта иищевым лаком. Транспортируют ее в железнодорожных цистернах, деревянных и металлических бочках с внутренним покрытием лаколЫ^ли цинком. Столовую патоку фасуют в стеклянные банки.
При хранении недопустимо попадание в патоку влаги, так как в местах разжижения она легко забраж-нцает. Высокая температура при хранении приводит к потемнению патоки и способствует развитию брожения. Патоку следует хранить при температуре около 10 °С и относительной влажности воздуха до 70%. Мальтодекстрины. К продуктам ферментативного гидролиза крахмала относятся также мальтодекстрины - полимеры, молекула которых составлен из пяти-десяти глюкозных остатков. На долю редуцирующих веществ в мальтодекстринах приходится около 5-20 %. Мальтодекстрины безвкусны, не имеют запаха; при концентрации свыше 30 %/образуют вязкие растворы, способные замедлять кристаллизацию. Мальтодекстрины испидьзуют при производстве пищевых продуктов в качестве наполнителей. Гелеобразующий мальтодекстрин - мальтин - способен плавиться подобно жирам. Его гель образует стабильные эмульсии. Мальтин как добавку применяют при выработке мороженого, кремов.
Этанол (этиловый спирт) С 2 Н 5 ОН представляет собой прозрачную бесцветную жидкость со жгучим и характерным запахом с относительной плотностью 0,79067. Температура кипения этанола при нормальном давлении 78,35 °С, температура вспышки 12 °С, температура замерзания - 117 °С. Химически чистый этанол имеет нейтральную реакцию; ректификованный спирт содержит небольшое количество карбоновых кислот, поэтому реакция его слабокислая. Этанол очень гигроскопичен; он жадно поглощает воду из воздуха, растительных и животных тканей, вследствие чего они разрушаются.
Спирт ядовит для человека и животных, а также микроорганизмов. Пары спирта также вредны. Предельно допустимая концентрация паров в воздухе составляет 1000 мг/см 3 . Спирт обладает взрывоопасными свойствами. Границы взрывоопасной концентрации паров спирта 2,8-13,7 % объема воздуха. Этанол вырабатывают из пищевого сырья в виде спирта-сырца крепостью не менее 88об.% и спирта-ректификата крепостью 96,0- 96,5 об.% в виде спирта-ректификата I сорта, высшей очистки, «Экстра» и «Люкс», «Базис», «Альфа».
Производство спирта из крахмалсодержащего сырья состоит из следующих основных технологических стадий: подготовки сырья к переработке; водно-тепловой обработки (разваривания) зерна и картофеля; осахаривания разваренной массы; культивирования производственных дрожжей; сбраживания осахаренного сусла и выделения спирта из бражки и его очистки.
4.1. Подготовка картофеля и зерна к переработке
Подготовка картофеля и зерна к переработке состоит в доставке сырья на завод, отделении примесей, измельчении и приготовлении замеса.
Картофель с буртового поля подвозят автотранспортом к запасным закромам, откуда гидротранспортером подают в производство. Легкие, грубые и тяжелые примеси картофеля отделяют в со-
ломо- и камнеловушках. Для мойки и удаления оставшихся примесейприменяют картофелемойки.
Зерно, идущее на разваривание, очищают на воздушно-ситовых и магнитных сепараторах.
При периодическом способе водно-тепловой обработки картофель и зерно разваривают в целом виде, при непрерывных схемах сырье предварительно измельчают. Степень дробления влияет на температуру и продолжительность разваривания. При измельчении картофеля на сите с диаметром отверстий 3 мм не должно быть остатка, а при измельчении зерна остаток на этом сите не должен превышать 0,1-0,3 %. Проход помола через сито с отверстиями диаметром 1 мм должен составлять 60-90 %.
Приготовление замеса заключается в смешивании измельченного сырья с водой и подогреве его до определенной температуры. К измельченному зерну добавляют 280-300 % воды, к картофельной кашке - 15-20 % воды от массы сырья. Концентрация сухих веществ в сусле должна составлять 16-18 %.
4.2. Водно-тепловая обработка зерна и картофеля
Основная задача водно-тепловой обработки - подготовка сырья к осахариванию крахмала амилолитическими ферментами солода или ферментными препаратами микробного происхождения. Осахаривание наиболее полно и быстро происходит тогда, когда крахмал доступен для их действия (не защищен клеточными стенками), оклейстеризован и растворен, что можно достичь применением тепловой обработки цельного сырья при повышенном давлении, или, как принято называть этот процесс в спиртовом производстве, разваривания; сверхтонким механическим измельчением сырья на специальных машинах; механическим измельчением сырья до определенных размеров частиц с последующим развариванием под давлением (комбинированный способ).
Цельное крахмалсодержащее сырье в разварнике обрабатывают насыщенным водяным паром под избыточным давлением до 0,5 МПа (температура 158,1 °С). В этих условиях растворяется крахмал, размягчаются и частично растворяются клеточные стенки сырья, и при последующем выдувании сырья в паросепаратор (выдерживатель) происходит разрушение клеточной структуры вследствие перепада давления, измельчающего действия решетки в выдувной коробке разварника, а также других механических воздействий на пути быстрого передвижения разваренной массы из одного аппарата в другой. В процессе разваривания одновременно происходит стерилизация сырья, что важно для процессов осаха- ривания и брожения.
При измельчении сырья до размера частиц, меньшего, чем крахмальные зерна, разрушаются клеточная структура сырья и сами крахмальные зерна, вследствие чего они растворяются в воде температурой 60-80 °С и осахариваются амилолитическими ферментами солода и культур микроорганизмов. Способ сверхтонкого измельчения пока не применяется из-за большого расхода электроэнергии и неизученности вопроса стерилизации сырья.
Широкое распространение получил комбинированный способ, согласно которому сырье сначала измельчают до частиц среднего размера (1 -1,5 мм), а затем разваривают. В этом случае температура и продолжительность разваривания меньше, чем при тепловой обработке цельного сырья. Выдувание разваренной массы измельченного сырья с перепадом давления способствует дальнейшему его диспергированию. Такой способ тепловой обработки в сочетании с непрерывностью процессов считается наиболее прогрессивным. При относительно небольших затратах электроэнергии на измельчение сырья, теплоты на разваривание и благодаря «мягкости» режима разваривания, обеспечивающего минимальные потери сбраживаемых веществ, способ позволяет хорошо подготовить сырье к осахариванию.
При разваривании картофеля и зерна происходят значительные структурно-механические изменения сырья и химические превращения веществ, входящих в его состав.
Прочитайте:
|
Крахмал – это главный резервный полисахарид растений, являющийся наиболее важным углеводным компонентом пищевого рациона. Запасается крахмал в семенах хлебных злаков, клубнях, корневищах в виде крахмальных зерен, которые в зависимости от вида растения имеют различную форму (сферическая, яйцевидная, чечевицеобразная или неправильная) и размер (1 до 150 мкм, в среднем 30-50 мкм).
Крахмальные зерна различных видов растений:
А - картофель; Б - пшеница; В - овес; Г - рис; Д - кукуруза; Е - гречиха.
1 - простое крахмальное зерно, 2 - сложное, 3 - полусложное.
Крахмал имеет сложное строение и состоит из двух гомополисахаридов: растворимой в воде амилозы и нерастворимого амилопектина. Их соотношение в крахмале может различаться в зависимости от растения и типа ткани, из которой он был выделен (амилоза 13-30%; амилопектина 70-85%).
Амилоза состоит из неразветвленных (линейных) цепей, включающих 200-300 остатков глюкозы, связанных α(1→4) гликозидной связью. Благодаря α-конфигурации при С-1, цепи образуют спираль диаметром 13 нм, в которой на один виток приходится 6-8 остатков глюкозы. Молекулярная масса составляет 50000Да.
Амилопектин имеет разветвленную структуру, у которой в среднем один из 20-25 остатков глюкозы содержит боковую цепь, присоединенную α(1→6) гликозидной связью. При этом формируется древовидная структура. Молекулярная масса составляет достигает 1-6 млн. Да.
Гидролиз крахмала присутствует во многих пищевых технологиях как один из необходимых процессов, обеспечивающих качество конечного продукта. Например:
В хлебопечении – процесс тестоприготовления и выпечки хлеба;
В производстве пива – получение пивного сусла и сушка солода;
В производство кваса;
В производстве спирта – подготовка сырья для брожения;
В получении различных сахаристых крахмалопродуктов – глюкозы, патоки, сахарных сиропов.
Существует два метода гидролиза крахмала:
Кислотный – под действием минеральных кислот;
Ферментативный - под действием ферментных препаратов.
При гидролизе крахмала под действием кислот сначала имеет место ослабление и разрыв ассоциативных связей между макромолекулами амилозы и амилопектина. Это сопровождается нарушением структуры крахмальных зерен и образованием гомогенной массы. Далее идет разрыв α(1→4) и α(1→6)-гликозидных связей с присоединением по месту разрыва молекулы воды. В процессе гидролиза нарастает число свободных альдегидных групп, уменьшается степень полимеризации. На промежуточных стадиях образуются декстрины, три и тетрасахара, мальтоза. Конечным продуктом гидролиза является глюкоза. Кислотный гидролиз имеет ряд существенных недостатков, обуславливаемых использованием высоких концентраций кислот и высокой температуры (свыше 100 °С), что приводить к образованию продуктов термической деградации и дегидратации углеводов, реакциям трансгликозилирования и реверсии.
По сравнению с кислотным гидролизом ферментативный гидролиз является более перспективным и имеет следующие преимущества:
1) Высокое качество изготовляемого продукта, т.к. образуется меньше побочных продуктов;
2) Специфичность действия ферментов позволяет получить продукт с заданными физическими свойствами (например сладостью);
3) Достигается высокий выход продукта с меньшими экономическими затратами.
Ферментативный гидролиз крахмала осуществляется с помощью амилолитических ферментов. К этой группе относятся α-амилаза, β-амилаза, глюкоамилаза, пуллуланаза и некоторые другие ферменты. Каждый из них имеет свои специфические особенности.
α-амилаза – эндофермент, гидролизующий α (1-4)-гликозидные связи внутри молекулы амилозы или амилопектина, в результате образуются декстрины – продукты неполного гидролиза крахмала и малое количество глюкозы и мальтозы:
α-амилаза найдена у животных (слюна и поджелудочная железа), у высших растений (проросшие семена ячменя, пшеницы, ржи, проса) и у микроорганизмов (грибов рода Aspergillus, Rhizopus, бактерий рода Bacillus subtilis).
β-амилаза – экзофермент, гидролизует α (1-4)-гликозидные связи с нередуцирующих концов молекулы амилозы, амилопектина с образованием мальтозы (54-58%), т.е. проявляет выраженную осахаривающую активность. Другим продуктом реакции является β-декстрин (42-46%). Данный фермент распространен в тканях высших растений.
Глюкоамилаза является экзоферментом, действуя с нередуцирующих концов молекулы амилозы и амилопектина, отщепляет молекулы глюкозы гидролизуя α (1-4)- и α (1-6)-гликозидные связи. Данный фермент наиболее часто встречается у микромицетов рода Aspergillus, Rhizopus.
Механизм действия различных типов амилаз на крахмал:
Технология получения крахмала.
Сырьем для промышленного получения крахмала служат картофель, зерна кукурузы, пшеницы, риса, сорго. Расмотрим технологию производства картофельного крахмала. Она включает следующие стадии:
Мойка картофеля от грязи и посторонних включений на картофелемойке;
Взвешивание;
Тонкое измельчение картофеля на скоростных картофелетерках с получением картофельной кашки (чем сильнее он будет измельчен, тем полнее будет выход крахмала из клеток, но при этом важно не повредить сами зерна крахмала);
Обработка картофельной кашки диоксидом серы или сернистой кислотой (для повышения качества крахмала, его белизны и предупреждения развития микроорганизмов);
Разделение кашки с использованием центрифуг или системы гидроциклонов;
Рафинирование крахмального молока – очистка крахмала от мезги на рафинировальном сите;
Промывка крахмала в гидроциклоне.
В результате получают сырой крахмал с содержанием влаги 40-52%. Он не подлежит длительному хранению в отличие от сухого получение которого состоит из следующих операций: механическое удаление избыточной влаги, сушка, прессование и упаковывание.
При производства целого ряда продуктов эффективно использование модифицированных крахмалов:
- Набухающий (предварительно клейстеризованный) крахмал получают высушиванием клейстера на специальных сушилках с последующим измельчением пленки в порошок, частицы которого набухают при смачивании водой и увеличиваются в объеме. Набухающий крахмал используют в пищевой промышленности (продукты быстрого приготовления, стабилизаторы и загустители в пищевых продуктах без нагревания).
- Окисленный крахмал получают путем окисления крахмала различными окислителями (KMnO 4 , KBrO 3 и др.). В зависимости от способа окисления продукция имеет различную вязкость и желирующую способность. Их применяют в бумажной промышленности для повышения прочности бумаги в качестве дубильного вещества, а при низкой степени окисления (до 2 %) в пищевой промышленности. Так один из видов окисленного крахмала - желирующий применяют в качестве желирующего средства взамен агара и агароида при производстве мармеладных изделий.
- Замещенные крахмалы:
Монокрахмалфосфаты (монофосфатные эфиры крахмала) получают реакцией сухой смеси крахмала и кислых солей орто-, пиро- или триполифосфата при повышенной температуре. По сравнению с обычным крахмалом они образуют стабильные клейстеры, отличающиеся повышенной прозрачностью, устойчивостью к замораживанию и оттаиванию.
Дикрахмалфосфаты (поперечно-сшитые крахмалы) могут быть получены реакцией крахмала с триметафосфатом натрия, оксихлоридом фосфора и др.. Они образуют клейстеры, устойчивые к нагреванию и механическому воздействию. Их используют при производстве майонезов, кондитерских изделий, салатных приправ, мясных изделий и др.
Ацетилированный крахмал (ацетат крахмала) может быть получен обработкой крахмала уксусной кислотой или ацетангидридом. Они обладает способностью образовывать стабильные прозрачные клейстеры, при высыхании которых образуются прочные пленки. В пищевой промышленности их используют в качестве загустителей, а также при производстве замороженных продуктов, инстант-порошках и т.д.
Вы в лесу... Вокруг теснятся толстые и тонкие стволы деревьев. Для химика все они состоят из одного и того же материала - древесины, основной частью которой является органическое вещество - клетчатка (C 6 H 10 O 5) х. Клетчатка образует стенки клеток растений, т. е. их механический скелет; довольно чистую мы её имеем в волокнах хлопчатой бумаги и льна; в деревьях она встречается всегда вместе с другими веществами, чаще всего с лигнином, почти такого же химического состава, но обладающего иными свойствами. Элементарная формула клетчатки C 6 H 10 O 5 совпадает с формулой крахмала, свекловичный сахар имеет формулу C 12 H 2 2O 11 . Отношение числа атомов водорода к числу атомов кислорода в этих формулах такое же, как и в воде: 2:1. Поэтому эти и им подобные вещества в 1844 г. были названы «углеводами», т. е. веществами, как бы (но не на самом деле) состоящими из углерода и воды.
Углевод клетчатка имеет большой молекулярный вес. Молекулы её представляют длинные цепи, составленные из отдельных звеньев. В отличие от белых зёрен крахмала, клетчатка представляет прочные нити и волокна. Это объясняется различным, теперь точно установленным, структурным строением молекул крахмала и клетчатки. Чистая клетчатка в технике зовётся целлюлозой.
В 1811 г. академик Кирхгоф сделал важное открытие. Он взял обыкновенный крахмал, полученный из картофеля, и подействовал на него разбавленной серной кислотой. Под действием H 2 SO 4 произошёл гидролиз крахмала и он превратился в сахар:
Эта реакция имела важное практическое значение. На ней основано крахмало-паточное производство.
Но ведь клетчатка имеет ту же самую эмпирическую формулу, что и крахмал! Значит, из неё тоже можно получить сахар.
Действительно, в 1819 г. было впервые осуществлено и осахаривание клетчатки с помощью разбавленной серной кислоты. Для этих целей можно применять и концентрированную кислоту; русский химик Фогель в 1822 г. получил сахар из обычной бумаги, действуя на неё 87-процентным раствором H 2 SO 4 .
В конце XIX в. получение сахара и спирта из дерева стало интересовать уже и инженеров-практиков. В настоящее время спирт из целлюлозы получают в заводских масштабах. Способ, открытый в пробирке учёного, стад осуществляться в больших стальных аппаратах инженера.
Посетим гидролизный завод... В огромные варочные котлы (перколяторы) загружают опилки, стружки или щепу. Это - отходы лесопильных или деревообрабатывающих предприятий. Раньше эти ценные отходы сжигались или просто выбрасывались на свалку. Через перколяторы непрерывным током проходит слабый (0,2-0,6%) раствор минеральной кислоты (чаще всего серной). Долго держать одну и ту же кислоту в аппарате нельзя: содержащийся в ней сахар, полученный из древесины, легко разрушается. В перколяторах давление 8-10 ат, а температура 170-185°. При этих условиях гидролиз целлюлозы идёт значительно лучше, чем при обычных условиях, когда процесс весьма затруднителен. Из перколяторов получают раствор, содержащий около 4% сахара. Выход сахаристых веществ при гидролизе достигает 85 % от теоретически возможного (по уравнению реакции).
Рис. 8. Наглядная схема получения гидролизного спирта из древесины.
Для Советского Союза, имеющего необозримые лесные массивы и неуклонно развивающего промышленность синтетического каучука, получение спирта из древесины представляет особый интерес. Ещё в 1934 г. XVII съезд ВКП(б) постановил всемерно развивать производство спирта из опилок и отходов бумажной промышленности. Первые советские гидролизно-спиртовые заводы начали регулярно работать с 1938 г. За годы второй и третьей пятилеток у нас были построены и пущены заводы по выработке гидролизного спирта - спирта из древесины. Этот спирт в настоящее время всё в больших количествах перерабатывается в синтетический каучук. Это - спирт из непищевого сырья. Каждый миллион литров гидролизного этилового спирта освобождает для питания около 3 тыс. тонн хлеба или 10 тыс. тонн картофеля и, следовательно, около 600 га посевной площади. Для получения этого количества гидролизного спирта нужно 10 тыс. тонн опилок с 45-процентной влажностью, что может дать за год работы один лесопильный завод средней производительности.