CC BY
52
Удаление крахмала
из тростникового сахара-сырца
М.И.Егорова, Л.И.Беляева, С.И.Казакова, А.И.Чугунов
ГНУ «Российский научно-исследовательский институт сахарной промышленности»
В сахарной промышленности России за годы экономических реформ объемы переработки импортируемого тростникового сахара-сырца увеличились в 3-4 раза по сравнению с 1996 г. (рис. 1). Повысилось качество сырья, выраженное через основной показатель -поляризацию (содержание массовой доли сахарозы). Однако это не решило всех проблем его эффективной переработки.
Если отечественное сырье - сахарная свекла - достаточно хорошо изучено и качество сахара из него в целом прогнозируемо, то на импортируемый тростниковый сахар-сырец в стране отсутствуют какие-либо технические требования. Этот факт и приспособление технологической схемы переработки принципиально иного сырья к реально имеющейся на свеклосахарном заводе схеме приводят к тому, что сахар-песок из него содержит в 5-10 раз больше кальция, чем свекловичный, больше сульфитов, его растворы имеют повышенную мутность, в этом сахаре определяется до 70 мг/кг крахмала.
Примеси в той или иной мере влияют на характеристики получаемых из такого сырья пищевых продуктов (алкогольных и безалкогольных напитков, сгущенного молока, карамели и др.) и часто вызывают справедливые нарекания потребителей. К важным показателям качества относится мутность растворов сахара. Она обусловлена наличием примесей, из которых 3 % составляют неорганические и
97 % органические компоненты. Последние могут включать крахмал, переходящий в сахар-сырец из сахарного тростника и далее попадающий в сахар-песок.
В настоящее время тростниковый сахар-сырец, имея высокую поляризацию и низкую цветность, содержит в 1 кг 24-2500 мг крахмала (табл.1) [1]. Как показал опыт российских предприятий, повышенное содержание этого полисахарида отрицательно влияет на протекание производственных процессов и, как следствие, ухудшает качество готового продукта и снижает его выход.
Наличие крахмала в тростниковом сахаре-сырце обусловлено свойствами растительного сырья и является одной из специфических особенностей его качества. Содержание крахмала в тростнике колеблется в среднем от 100 до 500 мг/кг и зависит от сорта тростника, климатических условий зоны выращивания и сроков уборки. Влажная погода способствует накоплению полисахарида, и тогда количество крахмала может достигать 800-1000 мг/кг тростника [2].
Как известно, средний размер зерен крахмала сахарного тростника составляет около 5 мкм. Также известно свойство этого природного полимера глюкозы, состоящего из амилозы и амилопектина, подвергаться клейсте-ризации [3]. В присутствии большого количества воды при повышении температуры до определенного значения крахмальные зерна набухают и разру-
Таблица 1
Качественные показатели импортируемого в Россию тростникового сахара-сырца
в 2001-2003 гг.
Страна- Объемы поставок, тыс. т Поляризация, Цветность, ед. опт. Содержание
экспортер 2001 г. 2002 г. 2003 г. % пл. (ICUMSA) крахмала, мг/кг
Бразилия 2453 2013 2341 97,56-99,42 389-1988 24-572
Гватемала 149 109 249 98,78-98,88 750-925 115-217
Колумбия 49 104 2 97,61-98,39 1017-1083 150-560
Куба 1796 1492 737 97,20-99,31 207-2074 84-486
Никарагуа 100 100 72 97,48-98,60 161-1944 48-306
Сальвадор 50 70 116 97,71-98,90 638-1900 103-168
Таиланд 61 483 557 97,71-98,80 1015-1250 760-2500
шаются, образуется коллоидный раствор с высокой вязкостью. Температура клейстеризации для крахмала сахарного тростника составляет 50...60 °С. При температуре выше 60 °С происходит деструкция молекул крахмала на более мелкие фрагменты - декстрины с разной молекулярной массой.
При производстве сахара в процессе измельчения стеблей сахарного тростника и последующего отжатия значительная часть крахмала переходит в сок и, подвергаясь клейстеризации, проходит основные стадии переработки: очистку и сгущение сока, кристаллизацию из него сахарозы. На последней стадии молекулы продуктов клейстеризации крахмала могут включаться в сами кристаллы сахарозы в процессе их роста или служить центрами кристаллизации, переходя таким образом в сахар-сырец. Мягкие условия очистки тростникового сока - обработка известью в количестве не более 0,1 % массы тростника и уваривание утфелей I и II кристаллизации на кристаллической основе - приводят к тому, что сахар-сырец всегда содержит крахмал.
Для разрушения крахмала в трост-никово-сахарном производстве применяют ферментные препараты, в частности а-амилазы, которые гидролизу-ют крахмал, разрывая связь между первым углеродным атомом и кислородом, связующим углерод с соседней молекулой глюкозы (а-1,4-гликозид-ную связь), с образованием, главным образом, низкомолекулярных декстринов и небольшого количества дисахари-да мальтозы. Но поскольку фермент -биологический катализатор белковой природы, диапазон его действия по температуре и рН ограничен. Вместе с тем в последние годы появились термоустойчивые а-амилазы, которые выдерживают температуру до 95 °С и имеют широкий диапазон действия при разных рН.
Отрицательное влияние крахмала на процесс переработки сахара-сырца сказывается при его содержании, превышающем 400 мг/кг, и резко усиливается по мере увеличения до 800 мг/кг и более, вызывая затруднения при проведении фильтрации растворов, кристаллизации сахарозы и центрифугировании утфелей. Одновременно ухудшаются потребительские качества сахара-песка: продукты расщепления крахмала, включаясь в его кристаллы, могут искажать их форму, сахар неоднороден по гранулометрическому составу, образует мутные опалесцирую-щие растворы.
Применение таких мероприятий, как промывка кристаллов сахара-сырца водой в центрифуге или аффинация
ENGINEERING AND TECHNOLOGY
при вторичной переработке малоэффективны из-за нахождения продуктов деструкции крахмала не только на поверхности кристаллов, но и внутри них. Только растворение сахара-сырца и последующая очистка позволяют более полно удалить крахмал.
По данным некоторых исследователей, известково-углекислотный способ очистки сахарных растворов, применяемый на отечественных сахарных заводах, является более эффективным, чем флотация [4, 5]. Однако в условиях сатурирования сильнощелочной клеровки сахара-сырца крахмал, дополнительно повышая вязкость среды, способствует образованию мелкодисперсных частиц карбоната кальция. В результате получаемый слизистый осадок значительно снижает фильтрационные свойства полупродуктов, приводит к залипанию пор фильтрационных перегородок, замедляет ритм переработки. В последующем продукты расщепления крахмала повышают вязкость сиропа, что замедляет процесс кристаллизации сахарозы, включаются в кристаллы сахара путем адгезии, нарушая правильность их кристаллической решетки. Итогом становится уменьшение выхода сахара-песка и снижение его качества.
Так как наиболее эффективным методом разрушения крахмала является использование ферментных препаратов, нами были исследованы отечественные препараты: Амилосубтилин ГЗх (шт. Вас. бцЫ/Нб), Протолихитерм Г20х (шт. Вас. licheniformis) и препарат Термамил БС (шт. Вас. subtilis) (производства «Новозаймс А/С», Дания). Все препараты содержат термоустойчивую а-амилазу, однако диапазон выдерживаемых ими температур колеблется от 80 до 95 °С, диапазон рН - от 6 до 8,5.
Исследования проводили с использованием модельных и производственных растворов тростникового сахара-сырца и сахара-песка с разным содержанием крахмала (0,01-0,2 %). Для искусственного введения в модельные растворы использовали растворимый крахмал. В растворы, нагретые до 70...90 °С, добавляли фермент, выдерживали при перемешивании при заданной температуре в течение 5-20 мин, затем охлаждали до 20 °С и фильтровали. В контрольном варианте ферментный препарат не использовали. Фильтрационную способность растворов определяли путем фильтрования через полотно (артикул 86033) на лабораторной установке, работающей под давлением 6 кПа. О эффективности действия фермента судили по продолжительности фильтрования 50 см3 сахарного раствора.
Данные одного из опытов при температуре 80 °С показывают, что с увеличением концентрации крахмала в клеровках сахара-сырца от 250 до 2000 мг/кг скорость фильтрации снижается в 6 раз (рис. 2). Введение ами-лолитических препаратов в дозах, взятых в соответствии с их оптимальной активностью, позволяет увеличить ее, причем при содержании крахмала 400 мг/кг сахара-сырца и менее реакция его ферментативного гидролиза протекала слабо. Высокую гидролизую-щую способность препараты при аналогичных условиях проявляли при содержании крахмала от 500 до 1250 мг/кг. В этом диапазоне за счет разрушения полимера и образования осадка крис-талллоидной структуры, особенно при использовании препаратов Термамил БС и Протолихитерм Г20х, заметно увеличивалась скорость фильтрации (в 2,5 раза). При более высоком содержании крахмала для сохранения уровня действия необходимо увеличивать расход препаратов.
Результаты экспериментов, представленные на рис. 3, показывают, что на эффективность протекания ферментативного гидролиза влияет концентрация сухих веществ (СВ) клеровки и доза ферментного препарата. Учитывая, что концентрация клеровки сахара-сырца согласно технологическому режиму должна поддерживаться на уровне СВ 55-60 %, значительное снижение ее нежелательно, так как в дальнейшем приводит к повышенному расходу пара при кристаллизации сахарозы в вакуум-аппаратах. Из исследованного интервала концентраций с учетом максимально допустимого нижнего предела наивысшая активность фермента отмечена при содержании СВ клеровки 45 %. По мере увеличения концентрации клеровки эффективность его действия резко снижается. При СВ более 55 % даже увеличение дозы препарата в 2 раза не оказывает значительного влияния на скорость фильтрации, поэтому для эффективного гидролиза крахмала ферментный препарат целесообразно применять в диапазоне содержания СВ клеровки 45-50 %.
В результате исследований также установлена оптимальная длительность протекания реакции гидролиза крахмала сахара-сырца ферментными препаратами (рис. 4).
На основе сопоставления оптимальных параметров процесса ферментативного гидролиза крахмала тростникового сахара-сырца и технологического режима отечественной типовой схемы переработки этого сырья предложена технология, сущность которой заключается в разрушении крахмала
0 500 1000 1500 2000
Содержание крахмала, мг/кг сахара-сырца
Рис. 2. Зависимость скорости фильтрации растворов сахара-сырца от содержания крахмала при обработке препаратами: 1 - контроль; 2 - Амилосубтилин ГЗх; 3 - Протолихитерм Г20х; 4 - Термамил БС
0,20 -
I
5 \
3 0,15 4V
's \ \
ч \ \
\2 \
\ \
га 0,10 \ \
н \ \
\ \ \
\
о 0,05
о
и
0 ~4 i- |
45 50 55 60
СВ, %
Рис. 3. Зависимость скорости фильтрации растворов
сахара-сырца от СВ раствора и дозы1 препарата
Термамил БС: 1, 2, 3 - содержание крахмала 500 мг/кг;
4, 5, 6 - содержание крахмала 1000 мг/кг;
1, 4 - контроль; 2, 5 - доза 10 г/м3; 3, 6 - доза 20 г/м3
крахмал и продукты его деструкции, которые становятся доступными для действия фермента.
Данная технология была апробирована в 2002 г. на ООО «Сахарный комбинат «Большевик». В период промышленных испытаний содержание крахмала в сахаре-сырце находилось в пределах 300-500 мг/кг сахара-сырца. В результате применения препарата Термамил SC установлены следующие преимущества (табл. 2):
• скорость фильтрации сатурированной клеровки повысилась на 25,5 % за счет разрушения высокомолекулярных продуктов гидролиза крахмала;
• содержание кристаллов сахара в утфеле I кристаллизации повысилось на 2,8 % за счет снижения вязкости продуктов и улучшения условий кристаллизации;
• мутность растворов сахара-песка снизилась в 2 раза за счет удаления высокомолекулярных соединений из раствора, что свидетельствует о повышении качества готовой продукции;
• общий расход пара сократился на 2 т/ч за счет уменьшения длительности уваривания утфеля I кристаллизации.
Таким образом, исследована эффективность действия ферментных препаратов, содержащих термоустой-
Таблица 2
Основные показатели технологических схем переработки сахара-сырца
0,04
5 Ъ 3
> 0,03 5 ч 2
--_____ ' 1
го 0,02 -"""
-& ¡5 0,01
о
о
3 0 1 1
10 15 20
Длительность гидролиза, мин
Рис. 4 Скорость фильтрации растворов сахара-сырца
при различной длительности гидролиза крахмала препаратами (температура 80 °С): 1 - Амилосубтилин ГЗх; 2 - Протолихитерм Г20х; 3 - Термамил 5С
ферментным препаратом на начальном этапе технологического процесса - стадии растворения (клерования) сахара-сырца. Целесообразность выбора кле-ровочного отделения как участка для ввода ферментного препарата объясняется тем, что в клеровочной мешалке при соответствующей температуре (80 °С) в течение определенного времени одновременно с растворением сахара-сырца в раствор переходят
Продукт, показатель Технологическая схема
типовая предлагаемая
Тростниковый сахар-сырец
поляризация, % 98,2 97,6
содержание крахмала, мг/кг 427 428
содержание кристаллов, % 52,4 55,2
длительность уваривания, ч 4,3 3,8
Сахар-песок
мутность раствора, ед. опт. пл. 43,0 1 2 22,3 0,9
Расход технологического пара, т/ч 62,8 60,8
чивую а-амилазу (Амилосубтилин Г3х, Протолихитерм Г20х и Термамил SC), на крахмал тростникового сахара-сырца. Отмечено, что наивысшую активность при прочих равных условиях и сопоставимых по расходу дозах проявил последний препарат. Установлено влияние содержания сухих веществ, дозы ферментного препарата и длительности реакции гидролиза на эффективность действия ферментов, выраженную скоростью фильтрации сахаросодержащих растворов. Предложен оптимальный режим ферментной обработки клеровки сахара-сырца: содержание крахмала 5001250 мг/кг, доза препарата 10-20 г/м3 , СВ клеровки 45-50 %, продолжительность процесса 15 мин. На основе полученных данных разработана технология переработки тростникового сахара-сырца, содержащего крахмал, которая позволяет повысить эффективность технологического процесса и получить сахар-песок с улучшенными потребительскими свойствами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Егорова М.И., Беляева Л.И., Чугу-нова Л.С. Тростниковый сахар-сырец: особенности переработки // Сахар. 2002. № 1.
2. Бугаенко И.Ф., Чернышева Н.А. Технология производства сахара из сырца. - М.: Союзроссахар, 2002.
3. Нечаев А.П., Траубенберг С.Е., Ко-четкова А.А. и др. Пищевая химия. -СПб.: ГИОРД, 2001.
4. Головняк Ю.Д., Белостоцкий Л.Г., Мищук Р.Ц. Влияние технологических качеств сахара-сырца на выход готового продукта. - М.: ЦНИИТЭИПП. Пищевая промышленность, 1982. Сер. 11. Обзор.
5. Бугаенко И.Ф., Кедрова И.В. Удаление крахмала при переработке тростникового сахара-сырца //Сахар. 2003. № 6.
РЕКЛАМНЫЕ КАМПАНИИ И ПРОМОАКЦИИ В РЕГИОНАХ РОССИИ
