CC BY
46
DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10517 УДК 664. 2.059.22
Исследование процесса получения тритикалевого
декстрина
Л. С. СОЛОМИНА, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник (e-mail: vniik@ arrisp.ru)
Н. Д. ЛУКИН, доктор технических наук, директор
Д. А. СОЛОМИН, зав. сектором
Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов - филиал Федерального научного центра пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН, ул. Некрасова, 11, пос. Красково, Люберецкий р-н, Московская обл., 140051, Российская Федерация
Резюме. Исследования проводили с целью определения влияние основных технологических параметров (расхода катализатора, температуры и продолжительности дек-стринизации) получения тритикалевого декстрина термохимическим методом на его физико-химические свойства. В качестве катализатора использовали алюминиево-калиевые квасцы. Концентрацию их раствора изменяли в диапазоне 0,25...1,25 % от массы сухих веществ крахмала. Декстринизацию проводили при температуре 160 оС до получения продукта белого цвета с растворимостью 60 %. Влияние температуры определяли, варьируя ее в диапазоне 140.180 оС с шагом в 10 оС. Расход квасцов в этих экспериментах составлял 0,75 % к массе сухих веществ крахмала. Физико-химические свойства тритикалевого и кукурузного декстринов сравнивали на примере образцов, произведенных при расходе алюминиево-калиевых квасцов 0,75 % к массе сухих веществ крахмала и температуре декстрини-зации 160 оС. Термообработка при этом продолжалась до получения декстринов со степенью растворимости в холодной воде 100 %. Для обеспечения высокой технологичности процесса и получения высококачественного тритикалевого декстрина расход алюминиево-калиевых квасцов должен быть не менее 0,75 % к массе сухих веществ крахмала. Степень растворимости декстрина достигает максимального значения (100 %) при температурах 160.180 оС. С повышением расхода катализатора с 0,25 до 1,25 % при получении декстрина с растворимостью 60 % продолжительность декстринизации сокращается на 140 минут. С повышением температуры декстринизации от 160 до 180 оС при получении декстрина с растворимостью 100 % продолжительность декстринизации снижается на 1,5 часа. При одинаковой растворимости динамическая вязкость тритикалевого декстрина выше, чем у кукурузного. Изменяя концентрацию катализатора, температуру и продолжительность декстринизации, можно получить серию продуктов, имеющих разную динамическую вязкость, растворимость в холодной воде, редуцирующую способность, что позволяет составлять на их основе множество клеевых композиций. Ключевые слова: тритикалевый крахмал, катализатор, технологические параметры, декстринизация, физико-химические показатели, тритикалевый декстрин. Для цитирования: Соломина Л. С., Лукин Н. Д., Соломин Д. А. Исследование процесса получения тритикалевого декстрина // Достижения науки и техники АПК. 2019. Т. 33. № 5. С. 69-72. DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10517.
Декстрины представляют собой смесь продуктов с различной молекулярной массой, полученную в результате химического, физического, биохимического или комбинированного воздействия на крахмал [1]. К наиболее распространенным способам получения декстринов относится термическая обработка сухого крахмала в присутствии соляной или азотной кислоты, а также солей, например, алюминиево-калиевых квасцов.
Декстрины хорошо растворяются в холодной и горячей воде, образуя клеевые растворы, и применяются в различных отраслях экономики в качестве клеящего компонента, пленкообразователя и загустителя.
Отечественные производители не обеспечивают российских потребителей декстринами в полном объеме, и недостаток их покрывается значительными поставками из-за рубежа. Поэтому на внутреннем рынке крахмалопродуктов широко представлены декстрины импортного производства из разных стран мира, полученные на основе картофельного, кукурузного, тапиокового, пшеничного и других видов крахмала. Расширение ассортимента, повышение качества и увеличение объема производства декстринов с использованием зернового и клубневого крахмала, а также безопасных реагентов - актуальная задача для развития крахмалопаточной отрасли и повышения импортозамещения.
В последние годы внимание исследователей привлекает зерновая культура тритикале, которая по урожайности, содержанию крахмала и белка превосходит пшеницу и рожь. Высокая урожайность зерна (25...120 ц/га), высокое содержание в нем крахмала (58.72 %) и белка (9.18 %) и сравнительно низкая себестоимость получаемого из такого сырья крахмала позволяют считать этот зерновой продукт перспективным сырьем для производства белковых препаратов, нативного и модифицированного крахмалов [2, 3, 4, 5].
Цель исследования - разработать технологический режим производстватритикалевого декстрина с высокой степенью растворимости в холодной воде.
Для ее достижения решали следующие задачи: исследовать влияние различных технологических факторов на физико-химические свойства тритикалевого декстрина и определить научно обоснованные параметры производства тритикалевого декстрина с максимальной степенью растворимости в холодной воде.
Условия, материалы и методы. В работе использовали термохимический метод производства декстрина, предусматривающий обработку сухого крахмала при высоких температурах в присутствии катализатора.
Объект исследования тритикалевый крахмал Мглинского крахмального завода со следующими физико-химическими показателями: массовая доля влаги - 13,4 %; содержание растворимых веществ -1,4 %; массовая доля золы - 0,13 %; массовая доля белка - 0,58 %; титруемая кислотность - 19,3 см3 0,1 N NаОН. В качестве катализатора использовали алюминиево-калиевые квасцы технические, соответствующие ГОСТ 15028-77.
Основные свойства крахмала и декстрина оценивали по следующим методикам: массовую долю влаги, кислотность, массовую долю белка и золы - по ГОСТ 7698-93; динамическую вязкость клейстеров -вискозиметрическим методом с использованием вискозиметра Гепплера; степень растворимости
Таблица 1. Влияние расхода квасцов на продолжительность декстриниза-ции и физико-химические свойства тритикалевого декстрина
Расход квасцов к сухой массе крахмала, % Продолжительность декстринизации, мин. Содержание редуцирующих веществ, % Кислотность, см30,1М ЫаОН Динамическая вязкость, мПас Цвет
0,25 190 0,3 32 60 палевый
0,50 143 0,4 41 56 палевый
0,75 75 0,5 50 52 белый
1,00 60 1,3 63 47 белый
1,25 50 1,8 74 39 белый
декстрина в холодной воде - рефрактометрическим методом на рефрактометре «УРЛ» по ГОСТ 60342014; редуцирующие вещества - химическим методом Бертрана, степень полимеризации - расчетным методом по содержанию редуцирующих веществ, углеводный состав водорастворимой фракции тритикалевого декстрина - методом высокоэффективной жидкостной хроматографии на анализаторе В18о1"1С^ по ГОСТ 33917-2016.
Образцы тритикалевого декстрина получали на опытном производстве ВНИИ крахмалопродуктов в декстринизаторе с электрическим обогревом. При проведении исследований квасцы предварительно растворяли в горячей воде при температуре 60 оС. Затем раствор распыляли пульверизатором на сухой крахмал при его непрерывном перемешивании в смесителе. Для подкисления образцов крахмала вносили одинаковое количество раствора, но с разным содержанием квасцов, расход которых изменяли в диапазоне 0,25...1,25 % от массы сухих веществ крахмала. Массовая доля влаги в подкисленном крахмале во всех опытах составляла 35 %. Подкисленный тритикалевый крахмал подсушивали в декстринизаторе при температуре 90.100 оС до содержания массовой доли влаги 3 %, затем дек-стринизировали при температуре 150.240 оС до заданной степени растворимости. Готовые образцы охлаждали, просеивали через металлическое сито с квадратными ячейками (длина стороны в свету 1 мм) и анализировали.
Исследования по изучению влияния расхода квасцов на свойства тритикалевого декстрина проводили при температуре декстринизации 160 оС до получения декстрина белого цвета с растворимостью 60 %.
Влияние температуры определяли, варьируя ее в диапазоне 140.180 оС с шагом в 10 оС. Расход квасцов во всех опытах составлял 0,75 % к массе сухих веществ крахмала.
Для сравнительной оценки физико-химических свойств тритикалевого и кукурузного декстринов на опытном производстве ВНИИ крахмалопродуктов при одинаковых условиях (расход алюминиево-калиевых квасцов 0,75 % к массе сухих веществ крахмала, температура декстринизации - 160 оС, термообработка продолжалась до получения декстринов со степенью растворимости в холодной воде 100 %) были изготовлены соответствующие экспериментальный образцы.
Результаты и обсуждение. В начальный период нагревания (90.100 оС) подкисленный крахмал подсушивается до влажности 3 %. При дальнейшем повышении температуры и продолжительности нагревания крахмала в результате отщепления воды от молекул полисахаридов происходит значительная деструкция полисахаридов, при этом снижается
их молекулярная масса, повышается степень растворимости, содержание редуцирующих веществ, цветность и уменьшатся вязкость декстрина [1].
Эффективность производства декстрина зависит от вида сырья и таких параметров его обработки, как расход катализатора,температура и продолжительность декстринизации.
По результатам наших исследований продолжительность декстринизации крахмала до получения декстрина с растворимостью 60 % уменьшалась по мере повышения расхода квасцов со 190 до 50 мин. (табл. 1). Одновременно содержание редуцирующих веществ в образцах декстрина возрастало с 0,3 до 1,8 %, общая кислотность - с 32 до 74 см3 0,1М NаОН, а динамическая вязкость - уменьшалась с 60 до 39 мПас. Это свидетельствует об усилении процесса деполимеризации молекул крахмала при его термохимической обработке с увеличением расхода катализатора.
Для многих производств один из основных показателей, определяющих возможность использования декстрина в качестве загустителя, стабилизатора или клеевого компонента, - цвет. При расходе квасцов 0,25.0,50 % к массе сухих веществ крахмала он был палевым в результате образования красящих веществ. Образцы тритикалевого декстрина белого цвета получали при более высоком расходе квасцов (0,75.1,25 % к массе сухих веществ крахмала) и меньшей продолжительности декстринизации.
Важнейшие технологические параметры процесса декстринизации - температура и продолжительность нагрева. Определение их влияния на свойства тритикалевого декстрина открывает возможности для производства готового продукта с заранее заданными свойствами. Экспериментальные данные свидетельствуют, что с увеличением температуры и продолжительности декстринизации степень растворимости образцов декстрина повышается и достигает максимального значения (100 %) при температурах обработки крахмала 160.180 оС (рис. 1).
Степень растворимости в холодной воде - основной показатель, по которому оценивают качество декстрина. Ее повышение обусловлено ослаблением водородных связей, которые удерживают структур-
Рис. 1. Зависимость степени растворимости тритикалевого декстрина от температуры и продолжительности декстринизации.
ные части и молекулы воды в связанном состоянии, а также расщеплением молекул полисахаридов, в результате которого образуются легкорастворимые в холодной воде низкомолекулярные продукты. Обработка полученных в процессе исследований экспериментальных данных с использованием программы «Математика 11.3» позволила построить зависимость степени растворимости тритикалевого декстрина (Р, %) от температуры (Т, оС) и продолжительности декстринизации (т, мин.), характеризующую с высокой точностью (Я2=0,985) взаимосвязь между этими параметрами:
Р = 100 • [1 - ехр(-
1411
0,017 • (7 -120) • (——— +т)
* 2
со" 1,8
о
§ 1,6
ф
СО 1,4
X S
EJ 1,2 2
£ 1 S
> 0,8 9
Q. 0,6 <Т
ЁЁ 0,4 гс
о. 0,2
5 0
О
Продолжительность декстринизации, мин.
215,7-7
Анализ кривых динамической вязкости образцов тритикалевого декстрина (рис. 2) показал, что с повышением температуры от 160 до 180 оС при получении образцов декстрина с растворимостью 100 % величина этого показателя уменьшается на
Рис. 2. Влияние температуры и продолжительности декстринизации на динамическую вязкость клейстера тритикалевого декстрина: —- Т = 180 оС; -■- - Т = 170 оС; --Т
= 160 оС; -Х- - Т = 150 оС; -ж- - Т = 140 оС.
4 мПа-с (с 16 до 12 мПа-с). Наиболее интенсивное уменьшение динамической вязкости наблюдается в образцах, полученных в первые 2 ч обработки. Это обусловлено расщеплением полисахаридных молекул, в результате которого не только разрушаются водородные и гликозидные связи крахмала, но и изменяется форма молекул.
Таблица 2. Влияние температуры и продолжительности декстринизации тритикалевого крахмала на среднечисленную степень полимеризации
Температура Среднечисленная степень полимеризации полисахаридов
декстринизации при продолжительности декстринизации крахмала, мин.
крахмала, оС 30 60 I 90 120 150 180 210
160 оС 555 333 200 142 111 87 71
170 оС 238 142 99 76 150 58 —
180 оС 143 95 69 52 - — -
С повышением температуры декстринизации от 160 до 180 оС при получении образцов тритикалевого декстрина с высокой степенью растворимости (100 %) содержание редуцирующих веществ увеличивается на 0,5 % (с 1,4 до 1,9 %) к массе сухих веществ декстрина (рис. 3). Это обусловле-
Таблица 3. Сравнительная оценка физико-химических свойств тритика-левого и кукурузного декстринов
Продукт Динамическая вязкость 10 %-ного клейстера, мПас Растворимость при 20 оС, % Массовая доля влаги, % Содержание редуцирующих веществ, %
Тритикалевый декстрин 16 100 0,41 1,4 Кукурузный декстрин 12 100 0,40 1,8
Рис. 3. Влияние температуры и продолжительности декстринизации на содержание редуцирующих веществ в тритикалевом декстрине: » - 160 оС; -170 оС; - 180 оС.
но образованием низкомолекулярных продуктов, обладающих восстанавливающей способностью, при деполимеризации полисахаридных молекул крахмала.
Установлено, что с повышением температуры от 160 до 180 оС при получении образцов декстрина с растворимостью 100 % продолжительность декстринизации снижается на 90 мин. (с 210 до 120 мин.), а среднечисленная степень полимеризации полисахаридов уменьшается с 71 до 52 (табл. 2), что обусловлено высокой скоростью их расщепления в присутствии катализатора.
Анализ углеводного состава тритикалевого декстрина со степенью растворимости 100 %, полученного при температуре декстринизации 160 оС, показал присутствие среди растворимых веществ глюкозы, мальтозы и высокомолекулярных соединений. Наличие глюкозы в декстрине свидетельствует о протекании глубокого процесса расщепления молекул полисахаридов крахмала при его термохимической обработке. Плотность массы тритикалевого декстрина, определенная при атмосферном давлении, составила в среднем 565 кг/ м3.
В результате сравнительного изучения установлено, что при одинаковой растворимости качественные показатели тритикалевого декстрина были выше, чем
у кукурузного декстрина, в том числе динамическая вязкость - на 4 мПас, а содержание редуцирующих веществ меньше на 0,4 % (табл. 3).
Выводы. При декстринизации тритикалевого крахмала в присутствии алюминиево-калиевых квасцов интенсивно протекает процесс деполимеризации полисахаридных молекул крахмала, в результате которого повышаются показатели степени растворимости и содержания редуцирующих веществ, уменьшается динамическая вязкость клейстера. Для выработки
тритикалевого декстрина с более светлой окраской процесс расщепления макромолекул крахмала следует вести при расходе квасцов не менее 0,75 % к массе сухих веществ крахмала. Максимальная
степень растворимости тритикалевого декстрина в холодной воде (100 %) достигается при температурах 160.180 оС. Продолжительность декстри-низации крахмала для достижения максимальной растворимости декстрина уменьшается пропорционально повышению температуры его обработки и расходу катализатора. При изменении расхода квасцов, температуры и продолжительности дек-стринизации можно получить серию тритикалевых декстринов, имеющих разные физико-химические свойства, в том числе разную динамическую вязкость, растворимость в холодной воде, редуцирующую способность и степень полимеризации,
что позволяет составлять на их основе множество клеевых композиций для широкого использования в различных отраслях экономики. Сравнительная оценка физико-химических свойств продуктов, произведенных в одинаковых условиях, показала, что качество тритикалевого декстрина выше, чем у кукурузного, по показателям вязкости и содержания редуцирующих веществ.
Таким образом, тритикалевый крахмал - перспективное сырье для производства декстрина. Полученные результаты могут лечь в основу нормативной документации на производствотритикалевого декстрина.
Литература.
1. Жушман А. И. Модифицированные крахмалы. М.: Пищепромиздат, 2007. 236 с.
2. Андреев Н. Р., Соломин Д. А., Грабовец А. И. Новые источники сырья для производства крахмала // Экономика, труд и управление в сельском хозяйстве. 2013. № 1. С. 73-76.
3. Characteristics and structure of starch isolated from triticale/A. Makowska, A. Szwengiel, P. Kubiak, etc. // Stärke. 2014. Vol. 66. Issue 9-10. Pp. 895-902. DOI: 10. 1002/star.201300264.
4. Соломина Л. С., Соломин Д. А. Расширение сырьевой базы для производства модифицированных крахмалов //Хранение и переработка сельхозсырья. 2015. № 6. С. 36-40.
5. A review of triticale uses and the effect of growth environment on grain quality/C. M. McGoverin, F. Snyders, N. Muller, etc. // Journal of the Science of Food and Agriculture. 2011. Vol. 91. Issue 7. Рр. 1155-1165. DOI: 10. 1002/jsfa.4338.
Study of Triticale Dextrin Production Process
L. S. Solomina, N. D. Lukin, D. A. Solomin
All-Russian Research Institute of Starch Products - the branch of the V. M. Gorbatov Federal Science Center of Food Systems of the RAS, ul. Nekrasova, 11, pos. Kraskovo, Lyuberetskii r-n, Moskovskaya obl., 140051, Russian Federation
Abstract. The studies were conducted to determine the effect of the main technological parameters (catalyst consumption, temperature and duration of dextrinization) of triticale dextrin production by thermochemical method on its physicochemical properties. Aluminum-potassium alum was used as a catalyst. The concentration of their solution was calculated in the range from 0.25 to 1.25% of the weight of starch dry matters. The dextrinization was carried out at a temperature of 160 Celsius degrees up to the obtainment of a white product with a solubility of 60%. The effect of temperature was determined by varying it within a range of 140-180 Celsius degrees in increments of l0 Celsius degrees. The consumption of alum in these experiments was 0.75% of the weight of starch dry matters. The physicochemical properties of triticale and corn dextrin were compared using the samples produced at an aluminium-potassium alum consumption rate of 0.75% of the weight of starch dry matters and at dextrinization temperature of 160 Celsius degrees. The heat treatment was continued up to obtainment of the dextrin with a degree of solubility in the cold water of 100%. In order to ensure high technological effectiveness of the process and to produce high-quality triticale dextrin, the consumption of aluminium-potassium alum should be at least 0.75% of the weight of starch dry matters. The degree of dextrin solubility reached its maximum value (100%) at temperatures of 160-180 Celsius degrees. With an increase in the consumption of the catalyst from 0.25 to 1.25% when producing dextrin with a solubility of 60%, the dextrinization duration was reduced by 140 minutes. With an increase in dextrinization temperature from 160 to 180 Celsius degrees during the dextrin production with 100% solubility, the dextrinization duration was reduced by 1.5 hours. At the equal solubility, the dynamic viscosity of triticale dextrin was higher than that of corn dextrin. Changing the catalyst concentration, temperature and duration of dextrinization, it was possible to manufacture a series of products characterized by different dynamic viscosity, solubility in cold water and reducing capacity that made it possible to produce many adhesive compositions on their basis.
Keywords: triticale starch; catalyst; technological parameters; dextrinization; physicochemical parameters; triticale dextrin. Author Details: L. S. Solomina, Cand. Sc. (Tech.), leading research fellow (e-mail: [email protected]); N. D. Lukin, D. Sc. (Tech.), director; D. A. Solomin, head of division.
For citation: Solomina L.S., Lukin N.D., Solomin D.A. Study of Triticale Dextrin Production Process. Dostizheniya naukii tekhnikiAPK. 2019. Vol. 33. No. 5. Pp. 69-72 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10517.
r
ВНИМАНИЮ СОИСКАТЕЛЕЙ УЧЕНЫХ СТЕПЕНЕЙ И ДРУГИХ ЗАИНТЕРЕСОВАННЫХ ЛИЦ!
Редакция журнала «Достижения науки и техники АПК» издает монографии и другую книжную продукцию с редактированием и всеми выходными данными.
Цены договорные. Заявки отправлять по адресу: 101000, г Москва, Моспочтамт, а/я 166. Тел.: (963) 758-48-44. E-mail: [email protected]
