что превращает крахмал в глюкозу
Сахар из крахмала
В предыдущих статьях было рассказано о различных применениях кукурузного крахмала, и о той пользе, которую он приносит людям. И все же о главном мы еще не сказали. Дело в том, что самое важное и ценное использование крахмала заключается в его химической переработке и превращении в. виноградный сахар. 
Каждого, кто знаком хотя бы с основами органической химии, это преобразование нисколько не удивит. Ведь и крахмал, и глюкоза (таково химическое название виноградного сахара), и другие сахара относятся к одному и тому же классу органических соединений, называемых в химии углеводами.
Вернемся, однако, к превращению крахмала. Достойно удивления, что открытие этого превращения, ставшее научной.основой всей современной крахмало-паточной промышленности, произошло в некотором роде случайно, во всяком случае вне какой-бы то ни было связи с целью получить сахар из крахмала.
Открытие патоки
Произошло это в Петербурге два столетия тому назад — в 1811 г. В истории науки и техники нередко бывает так, что поиски и открытия в какой-нибудь одной области науки неожиданно проявляются и получают практическое значение в совершенно другой области, весьма далекой от первоначального объекта исследования.
Так случилось и на этот раз. Директор главной петербургской аптеки К. С. Кирхгоф, занимаясь опытами по производству фарфора, стал искать дешевый и доступный заменитель аравийской камеди. Перепробовав несколько различных веществ, Кирхгоф остановился на крахмале.
Разбавив крахмал водой, добавив серной кислоты и нагрев эту смесь, он получил густую вязкую массу, похожую на камедь. Кирхгоф был химик. Какой же химик удержится от соблазна попробовать на вкус добытое им новое вещество? Попробовал новое вещество и Кирхгоф.
Оказалось, что полученная им искусственная камедь обладает ясно выраженным сладким вкусом. Кирхгоф сразу сообразил, что, по-видимому, часть крахмала перешла в сахар, но химизма этого перехода, равно как и роли серной кислоты в этом процессе, он объяснить тогда, конечно, не смог.
За свое открытие Кирхгоф был удостоен звания действительного члена Петербургской Академии наук, а само открытие очень скоро (буквально через год) получило повсеместное практическое признание.
Крупнейший американский специалист по крахмалу Ральф Керр одну из глав своей монографии «Химия и технология крахмала» начинает такими словами: «Открытие, что сахароподобные вещества из крахмала можно получить при его обработке кислотой, принадлежит русскому химику Кирхгофу». Как видим, полное и бесспорное признание! В чем же суть открытия Кирхгофа? Какой процесс происходит при нагревании крахмала с минеральной кислотой?
Зная строение молекулы крахмала, на эти вопросы можно вкратце ответить так. В присутствии кислоты как катализатора (т. е. ускорителя реакции) происходит разрыв полимерных цепочек крахмала с присоединением молекулы воды к каждому звену.
Выражаясь языком химии, происходит гидролиз крахмала, то есть разложение, распад с присоединением воды. Схематически этот процесс можно себе представить так.
Сначала крахмал превращается в декстрины, затем из декстринов образуется сложный (двойной) сахар — мальтоза, а уже в результате расщепления мальтозы получается две молекулы глюкозы.
Вот и весь путь от крахмала до глюкозы! Если процесс гидролиза не идет до конца, получают смесь всех трех продуктов — декстринов, мальтозы, глюкозы. Эту смесь, растворенную в небольшом количестве воды, принято называть патокой, это и есть именно тот сахар из крахмала. Патока широко применяется в кондитерской промышленности— без нее нельзя сварить карамель и помаду, приготовить варенье.
Роль патоки заключается прежде всего в том, что она препятствует кристаллизации свекловичного сахара. Вот почему монпансье и леденцы прозрачны, а варенье, сваренное с применением патоки, не засахаривается. Но патока вместе с тем обладает и высокой питательной ценностью и нежным приятным вкусом.
Она как бы смягчает слишком острый приторный вкус свекловичного сахара (сахарозы). Разные сахара обладают разной сладостью. Если четыре наиболее распространенных сахара (сахарозу, мальтозу, фруктозу и глюкозу) расположить по степени убывающей сладости, то получится такой ряд: фруктоза— сахароза — глюкоза — мальтоза.
По отношению к сладости сахарозы сладость глюкозы принимается равной примерно 0,6.
Кристаллическая глюкоза. Технология производства ГОСТ 975-88 из зернового крахмала на спиртовом заводе.
Технология производства кристаллической глюкозы из крахмала осуществляется по ГОСТ. В производстве глюкозу получают ферментативным или кислотным гидролизом крахмала зерновых культур (осахаривание крахмала), затем полученный сироп глюкозы кристаллизуется. Кристаллическая глюкоза успешно применяется в кондитерской промышленности и медицине
Производство кристаллической глюкозы на крахмало-паточных заводах в России в настоящее время прекращено. Дефицит и внутренние потребности в кристаллической глюкозе медицинского и пищевого значения покрываются за счет импорта из Китая и Европы.
Производство кристаллической глюкозы на спиртовом заводе, перерабатывающем зерно, может быть организовано в короткий срок с использованием оборудования спиртового производства.
Химический состав зерна
Состав сухих веществ СВ при влажности зерна 15 % характеризуется следующими величинами (в %):
Содержание крахмала в зерне колеблется в широких пределах в зависимости от вида культуры может составлять (в %):
Средний химический состав зерна
Свекла (корнеплоды сахарной свеклы)
Свекла (корнеплоды сахарной свеклы) в среднем содержит 75% воды и 25% СВ, в том числе:
Выводы: Применение зерновых с последующей переработкой крахмала в глюкозу экономически и энергетически оправдано, т.е. если вам нужна вода приступайте к выращиванию сахарной свеклы.
В качестве ликбеза:
Полисахариды (крахмал, гликоген, целлюлоза) в воде растворимы плохо или не растворимы. Они образованы из моносахаридов, в частности из глюкозы, и при гидролизе образуют глюкозу.
Гидролиз-реакция обмена (обменного разложения) соединений с водой.
Глюкоза
Производство и получение кристаллической глюкозы
Технологическая схема производства и получения кристаллической глюкозы представлена на рисунке.
Подготовка крахмала к переработке. Для гюкозного производства необходимо использовать крахмал, содержащий минимальное количество белковых примесей (минимальное количество клейковины, т.е. глютена)
Ссылка Для этого крахмал предварительно отделяют на декантерной центрифуге от нерастворимого белка (глютена)
Далее, нерастворимый глютен концентрируют на дуговых ситах и отправляют на сушку.
Кислотность, мл 0,1 н. Раствора щелочи не более 30
Содержание общего белка, %, не более 0,8
Содержание растворимых веществ, % не более 0,1
Содержание жира, % не более 0,15
Содержание зольных элементов, % не более 0,15
Очищенное от глютена крахмальное молочко далее поступает на стадию гидролиза (на стадию осахаривания крахмала), а выделенный глютен отправляется на сушку
Для установления оптимальной продолжительности осахаривания необходимо периодически, не реже 1 раза в месяц, снимать кривые осахаривания. Контроль осуществляется по спиртовой пробе.
Доброкачественность крахмальных гидролизатов должна быть не ниже 89 %.
При проведении гидролиза крахмала в непрерывных осахаривателях крахмальная суспензия концентрацией 22 % СВ, подкисленная соляной кислотой, должна поступать в буферную емкость. Концентрация суспензии должна быть постоянной и проверяться каждые 30 минут.
Очистка и обесцвечивание глюкозных сиропов.Взвешенные частицы из нейтрализованного глюкозного сиропа удаляют механическим фильтрованием на фильтр прессах, барабанных вакуум фильтрах и др. с наполнителем (кизельгур, диатомит).
Диатомитовый осадок промывают на фильтр-прессе до содержания в сиропе СВ не более 15 % к массе СВ осадка. Расход воды на промывку 5 литров на 1 кг безводного осадка.
Активный уголь, использованный на очистке жидких и густых сиропов в линии первого продукта, направляют в линию второго продукта. Дважды использованный уголь промывают на фильтр-прессе, пропаривают до содержания в нем не более 10 % СВ к массе угля, после чего выводят из производства, а промой направляют в жидкие сиропы второго продукта.
В производстве для улучшения очистки глюкозных сиропов от солей железа и предупреждения нарастания цветности сиропа при уваривании рекомендуется применять следующий режим переменного рН по станциям производства:
Густой глюкозный сироп после двукратной очистки отработанным и свежим активным углем подвергают контрольному фильтрованию. При этом на фильтрующую ткань необходимо наносить тонкий слой диатомита. Для контрольного фильтрования не следует применять давление свыше 0,15 МПа и тем более нельзя вести фильтрование при пульсирующем давлении, что имеет место при работе поршневого насоса. После фильтрования сироп должен быть почти бесцветным и совершенно прозрачным, без признаков опалесценции.
Кристаллизация гидратной глюкозы (первого продукта). Этот процесс протекает в кристаллизаторах с поверхностью охлаждения в виде дисков или водяной рубашки. Для получения утфелей, легко обрабатывающихся на центрифугах необходимо соблюдать следующие основные условия:
Центрифугование утфеля первого продукта. Отделение кристаллов глюкозы от межкристаллического раствора производят на центрифугах под действием центробежных сил.
Кристаллизация второго продукта. Охлажденный сироп второго продукта кристаллизуют при следующих оптимальных условиях:
Окончание процесса кристаллизации второго продукта определяют по межкристаллическому раствору, доброкачественность которого должна быть не более 71 %, концентрация СВ не выше 67 %.
Упаковка, складирование и транспортирование глюкозы. Кристаллическую гидратную глюкозу упаковывают в тканевые мешки по 50 кг. Внутрь мешка следует вставлять мешки- вкладыши:
Эта упаковка производится для предохранения глюкозы от попадания влаги при перевозке водным транспортом. Тканевые мешки зашивают машинным способом. Допускается завязывание мешков шпагатом.
Глюкоза может быть расфасована в мелкую тару в не ворсистые тканевые или бумажные пакеты или коробки из плотной бумаги массой нетто от 100 грамм или 1 килограмма. Коробки (пакеты) укладываются в ящик массой нетто не более 30 килограмм.
Маркировку транспортной тары производят по ГОСТу с нанесением предупредительного знака «Боится сырости» и следующих дополнительных данных: наименование продукции, номер партии, дата выпуска и обозначение настоящего стандарта. Кристаллическая глюкоза должна храниться в упакованном виде в сухих, чистых и проветриваемых помещениях.
Мешки с глюкозой укладывают на деревянные стеллажи, покрытые брезентом или другой тканью такого размера, чтобы краями можно было закрыть по бокам первый ряд мешков.
На складе где хранится глюкоза, относительная влажность воздуха не должна быть более 75 %. Срок хранения глюкозы 1 год со дня выработки.
Характеристика основных продуктов и полупродуктов в производстве глюкозы.
Сухие вещества, кг на 100 кг крахмала
Сухие вещества, концентрация в продукте, % СВ
Количество продукта, кг
Крахмалл, поступающий на гидролиз
Жидкий сироп с клееровкой на выпарку
Утфель первого продукта
Зеленая патока на осахаривание
Глюкозная крупка и пыль
Утфель второго продукта
Транспортирование глюкозы должно проводиться в соответствии с санитарными требованиями в сухих чистых крытых вагонах, контейнерах
Получение кристаллической глюкозы по методу двойного соединения с хлористым натрием.
В определенных условиях глюкоза с хлористым натрием образует двойное соединение
На кислотный гидролиз можно направлять более разбавленные суспензии крахмала, так как в данном случае повышенная дозировка соляной кислоты не оказывает отрицательного влияния на последующие процессы. При использовании крахмальной суспензии концентрацией 18 % по описанной схеме можно получить выход кристаллической гюкозы на уровне 78 %.
Особенностью этих схем является то, что технология в линии первого продукта аналогична описанной выше (см. рис. выше), а в линии второго и третьего продукта глюкоза выкристаллизовывается в виде кристаллов двойного соединения.
Содержание общего белка, %
Получение кристаллической глюкозы с помощью ферментов.
Разжижение крахмала можно осуществлять кислотным и ферментативным способом.
Для осахаривания разжиженного крахмала обычно рекомендуется применять глюкоамилазные ферментативные препараты.
После осахаривания гидролизат подогревают в теплообменнике до 90 гр Цельсия с целью инактивации фермента и сепарируют для отделения жиро-белковой грязи, которая выводится из производства и реализуется как ценный корм. Далее следует очистка ферментных гидролизатов адсорбентами для удаления красящих веществ, уваривание сиропов, кристаллизация, центрифугование утфелей и сушка кристаллов глюкозы.
Особенности предлагаемой схемы состоят в следующем.
Линия второго продукта значительно упрощается, так как отпадает необходимость в гидролизе зеленой патоки, нейтрализации и выпаривании жидких сиропов.
Характеристика и количество основных продуктов при ферментативном
Способе производства кристаллической глюкозы.
Сироп после разжижения
Сироп после гидролиза
Сироп после выпарки
Сироп после вакуум-аппарата
Сироп после вакуум- аппарата
Наряду с кристаллической глюкозой по данной схеме можно получать высококачественную пищевую глюкозу в виде брикетов или гранул с применением распылительной сушилки концентрированных глюкозных сиропов.
Гидратная глюкоза высушивается до 9 % влажности при температуре в сушилке не выше 50°С. При нагревании глюкозы до 60 °С кристаллы гидратной глюкозы начинают плавиться в собственной кристализационной воде. Температура сахара, выходящего из сушилки, не должна превышать 40 °С.
Продукт имеет чисто белый цвет, чистый сладкий вкус и может заменять кристаллическую глюкозу в витаминном производстве в отдельных отраслях пищевой промышленности.
В отличие от производства кристаллической глюкозы в основе технологии пищевой глюкозы лежит спонтанная кристаллизация глюкозы без последующего выделения межкристаллического отека. Продукт вырабатывается в виде брикетов массой 20 кг.
НСl Кислотный гидролиз Глюкоза в брикетах
Na2 CO 3 Нейтрализация Затвердевание
Диатомит или Фильтрация Разлив в формы
Активный уголь Обесцвечивание Предварительная
И фильтрование кристаллизация
Выпаривание до Охлаждение
Активный уголь Обесцвечивание Уваривание
О ТЕОРЕТИЧЕСКОМ ВЫХОДЕ ГЛЮКОЗЫ ИЗ КРАХМАЛА
При ферментативном гидролизе крахмала высокой чистоты можно получить глюкозные сиропы с глюкозным эквивалентом ГЭ 98%, в которых глюкозы находится около 95%, а мальтозы и мальтотриозы – около 5%.
Гидролиз крахмала осуществляется с приростом сухих веществ. Так, из 100 кг крахмала можно получить до 109,81 кг сухих веществ глюкозного сиропа. С учетом потерь по стадиям производства выход может снизиться до 105,61 кг.
Очищенный глюкозный сироп концентрируют до 73–75% сухих веществ и направляют на кристаллизацию. Кристаллизацию глюкозы ведут в пересыщенном растворе в течение 56–70 часов при снижении температуры от 46–48 °С до 24–26 °С, в результате получается смесь кристаллов глюкозы и межкристального оттека, называемого утфелем.
Процесс кристаллизации прекращают по достижении в утфеле 50% кристаллов. Выход глюкозы при этом составит 105,61/2 = 52,8%.
Кристаллизацию ведут по одностадийной схеме, с частичным возвратом конечного продукта – гидрола в осахаренный сироп. После чего утфель направляют на центрифугирование для разделения кристаллов глюкозы и оттека, который частично возвращают в производство в исходный сироп для снижения ГЭ, а вторую часть оттека выводят на реализацию. Следует иметь в виду, что чем выше ГЭ глюкозного сиропа, направляемого на кристаллизацию, тем больше можно вернуть гидрола в осахаренный сироп. В результате этого выход кристаллов глюкозы увеличивается.
На основании проведенных расчетов была составлена компьютерная программа, с помощью которой можно определить теоретический выход глюкозы и гидрола, меняя значения осахаренного сиропа. Чем выше значения ГЭ осахаренного сиропа, тем больше выход кристаллической глюкозы и меньше гидрола. Так, при ГЭ осахаренного сиропа 98% можно вернуть около 64,66 кг гидрола к 105,61 кг сиропа, и выход глюкозы увеличится до 85%, выход гидрола при этом составит (105,61 – 85) = 20,61%.
Кристаллическая ангидридная глюкоза. Трехпродуктовая технологическая схема получения
Сегодня в России отсутствует производство глюкозы, и потребность в ней обеспечивается закупками кристаллической глюкозы и ее растворов по импорту. В фармацевтической промышленности кристаллическая глюкоза является основным сырьем для получения инъекционных и инфузионных растворов, для производства сорбита и аскорбиновой кислоты, таблеточных форм, изготовления ветеринарных препаратов. В качестве подсластителя глюкоза нашла широкое применение в пищевой промышленности, а также для непосредственного употребления в пищу, в том числе в продуктах спортивного питания.
Важнейшим условием рентабельности глюкозного производства являются оптимальные способ гидролиза крахмала и кристаллизации глюкозы. Прогрессивными способами гидролиза крахмала являются кислотно-ферментативный и двойной ферментативный [1]. Наиболее выгодный способ выбирают в зависимости от номенклатуры получаемых конечных продуктов. При получении пищевой глюкозы и патоки более рентабельным является кислотно-ферментативный гидролиз крахмала. Двойной ферментативный способ гидролиза с применением ферментов на стадиях разжижения и осахарива-ния крахмала [2] более дорогостоящий и его применение оправданно в случае получения фармакопейной (особенно ангидридной) глюкозы, пищевой гидратной глюкозы и патоки.
Глюкоза кристаллизуется при температуре ниже 50 °С в гидратной форме с одной молекулой кристаллизационной воды и в ангидридной (безводной) форме при температуре выше 50 °С. Особенности технологии каждого вида глюкозы определяют их свойства, качество и применение.
В связи с тем, что кристаллическую ангидридную глюкозу используют, преимущественно, для приготовления медицинских инъекционных растворов в виде сырых кристаллов, не высушивая, что более выгодно, и реализуют в виде растворов, создается ошибочное представление о ней как о менее востребованной по сравнению с кристаллической гидратной. На самом деле, учитывая специфику ее применения, ангидридная кристаллическая глюкоза является более востребованной, а ее производство более рентабельным, так как при меньших затратах реализуется по цене в 2 раза дороже для кристаллической гидратной глюкозы и в 20 раз дороже при реализации ее в растворах по сравнению с гидратной глюкозой. Поэтому технология получения и применения кристаллической ангидридной глюкозы заслуживает пристального внимания.
Сравнительные технико-экономические показатели при производстве ангидридной и гидратной кристаллической глюкозы на предприятии мощностью 7 тыс. тонн в год
Показатель Глюкоза гидратная Глюкоза ангидридная
Потребность в емкостях для двух стадий кристаллизации, м3 500 (15 кристаллизаторов по 35 м3) 10 (2 вакуум-аппарата по 5 м3)
Микробная чистота, КОЕ/г 100 10
Растворимость, мин 50 10
температурный режим кристаллизации в интервале температур 48. 25 °С является благоприятным для размножения микрофлоры, приводит к высокой микробной обсемененности глюкозы и ухудшению ее качества, а также частой трудоемкой санитарной обработке оборудования, что снижает его производительность;
Гидратная глюкоза кристаллизуется в виде тонких механически непрочных кристаллов, которые способны разрушаться при высокой вязкости утфелей и сильно уплотняться при центрифугировании. Из-за этого ухудшаются условия отделения и промывки кристаллов от межкристального раствора при центрифугировании и понижается качество кристаллической глюкозы, а также возрастают потери глюкозы в результате растворения кристаллов при промывке.
Технологическая схема производства кристаллической ангидридной глюкозы является высокоэффективной, так как процесс кристаллизации проводится с высокой скоростью с суммарными затратами времени 16-17 часов, получаемая кристаллическая ангидридная глюкоза имеет высокое качество, требует минимального набора аппаратуры для кристаллизации. Для аппаратурного оформления процесса кристаллизации предприятия мощностью до 7 тыс. тонн глюкозы в год потребуется два вакуум-аппарата с полезным объемом по 5 м3 и пять кристаллизаторов с полезным объемом по 20 м3.
5. Хворова, Л. С. Способ получения кристаллической ангидридной глюкозы / Л. С. Хворова, Л. В. Баранова, В.А. Гоменюк // Заявка на изобретение № 2017108004 от 13.03. 2017.
Процесс осахаривания крахмала
Осахаривание крахмала во время затирания — это расщепление его на простыесоставляющие (сахара) под действием ферментов солода, воды и тепла. Какпроисходит этот процесс и какие есть альтернативные методы осахариваниякрахмала — в этой статье.
Процесс осахаривания крахмала
Крахмал — это сложный сахар, полисахарид. Он состоит из полимераамилозы и полисахарида амилопектина, которые и образуют крахмальныегранулы в зерне. Задача затирания и осахаривания крахмала — растворить иразрушить сложные и нерастворимые в воде молекулы крахмала до сбраживаемогодисахарида мальтозы или до простых сбраживаемых моносахаридов глюкозы. Послеосахаривания проба на йод должна быть отрицательной.
Процесс осахаривания крахмала в зернах пшеницыпроращиванием выполняют, чтобы сэкономить время и деньги и получить вкусный зерновойсамогон. Белый (пророщенный и сушеный) или зеленый (живой, не сушеный) солодиспользуют, как источник амилолитических ферментов. А ферменты появляютсякак раз при проращивании зерна и потреблении ростком части крахмала. Какработают эти ферменты?
Сначала происходит клейстеризация при 60 о С для ячменя. Дробленое зерно отдает водекрахмал, затор густеет.
Затем начинается разжижение и осахаривание. В игру вступаютамилолитические, появившиеся в результате проращивания ферменты для осахаривания крахмала.
Бета-амилаза действует при 60-65 о С. Эта крупная молекула способна»отрезать» от концов цепочки сахаров мальтозу, «разбивая» ее на глюкозу имальтотриозу. Разрывать цепочки, снижая вязкость, она не может. При 70 о С бета-амилазадеактивируется.
Зато фермент альфа-амилаза при 72-75 о С начинает разрывать длинные цепочкиполисахаридов амилозы и амилопектина, из которых и состоит крахмал.
При этом амилопектин разрушается до составляющих его мальтозы и изомальтозы,амилоза — до мальтозы.
Надо отметить, что в присутствии альфа-амилазы усиливается действиебета-амилазы, поскольку свободных концов цепочек сахара становится больше.
В результате работы амилолитических ферментов крахмальный растворстановится менее вязким.
Здесь действуют следующие закономерности:
Чем дольше длительностьзатирания и каждая из пауз, тем концентрированнее сусло, но тем болеезамедляется осахаривание.
Чем длиннее мальтознаяпауза при 62-63 о С, тем выше:
Жидкие заторы лучшевымывают крахмал, но в густых ферменты дольше деактивируются, работают исоздают больше сбраживаемых сахаров. Чем выше концентрация углеводов в заторе,тем меньше воздействует температура на активность амилазы.
Какой продукт получают осахариванием крахмала?
Продукт получаемый осахариванием крахмала — это сахара, глюкоза и мальтоза. Экстрактводорастворимой мальтозы и глюкозы, белков, минеральных веществ, которые смогутиспользовать для роста дрожжи. Или, попросту, — это «съедобное» сусло,питательная среда.
Под действием чего крахмал расщепляется доглюкозы?
Крахмал расщепляется под действием тепла, воды,амилолитических ферментов.
Как выполнить осахаривание крахмала лимоннойкислотой?
Собственно, это процесс гидролиза (разложения) при участии воды и сильнойразбавленной кислоты.
Лимонная кислота применяется, в основном, при осахаривании готовымикомплексными ферментами амилосубтилином и глюкаваморином. Добавляется дляподкисления, активизации работы ферментов и дезинфекции сусла в такомколичестве, чтобы довести pH до 5,5.
Процесс осахаривания серной кислотой состоит из следующих этапов:
Как выполнить осахаривание крахмала солодом?
Подробный ответ на вопрос «как осахаривать зеленым солодом» или «как осахаривать белым солодом» вы можете найти в разделе «Рецепты самогона».
Кстати, перегонять крахмальную брагу лучше всего на аппарате с отбором по пару, термометром, баком из нержавеющей стали.