Ферментативні технології виробництва крохмалю та цукру (2) Д-р Іштванне Речі Будапештський технологічний та економічний університет Кафедра прикладних біотехнологій та харчових наук 2016

виробництва

Виробництво крохмалю (історія) Виробництво крохмалю в Угорщині навіть на початку минулого століття мало лише побутовий характер. Одним із результатів індустріалізації, яка розпочалася у другій половині століття, був розвиток (№19!) Крохмальної промисловості від малої до великої. Згідно з письмовими даними, з 1880 по 1896 рік було введено в експлуатацію десять нових фабрик крохмалю. Перший великий завод був заснований у Фюзіто в 1887 році під назвою Фузітський крохмальний та хімічний завод. Його продукцією була картопля, пшеничний крохмаль, декстрин та клей, а також побутова хімія. У 1890 році в Кісбері була створена крохмальна фабрика для продажу значної продукції виробництва картоплі в заводах в Бабольні та Кісбере, а дві фабрики працювали під назвою Kisbér-Füzitői United Factory Rt., Розділивши виробництво продукції так, щоб новий завод взяв на себе. На той час Дьєрдь Коромзай також заснував крохмальний завод у Сепес-Белі. До початку Першої світової війни в Угорщині було дев’ять картопляного крохмалю, три сиропи та дві фабрини декстрину. Під час війни більшість фабрик крохмалю припинили виробництво, частково через дефіцит сировини, а частково через дефіцит вугілля. www.chemonet.hu/eng/food/iptort/iptort5.html Сільськогосподарські галузі - Крохмаль 2

Крохмаль Крохмаль - найбільша органічна речовина, що утворюється на Землі після целюлози. Сфера його використання більша завдяки кращій розчинності. Може використовуватися в гранульованій формі У вигляді суспензії Як розчиненого полімеру Як похідного Як продукту розпаду Виробництво крохмалю Виділення фракції крохмалю з інших рослинних клітинних складових В Угорщині було 3 типи виробництва крохмалю - з картоплі (у Будапешті припинено) - з пшениці (припинено, можливо, ще невелика рослина) - з кукурудзяного Крохмаль 3

Непродовольче використання крохмалю В’яжучі речовини (паперовий клей) Засоби захисту рослин (на водній основі) Косметика, туалетно-косметичні засоби (зубна паста) Миючі засоби Паперова промисловість, добавки Фармацевтика Фарби Текстильна промисловість Очищення води (коагулюючі, флокулюючі добавки) Біорозкладані пластмаси, чисті добавки

Непродовольче використання крохмалю в Європі 5

Структура та властивості крохмалю Структура мономеру: D-глюкозні зв'язки - 1-4 (в амілозі) - 1-4 та 1-6 (в амілопектині), останній зв'язок утворюється Q-ферментом "розгалужується фермент" Амілоза/амілопектин співвідношення різних рослин Банан: 16,8% амілози Жито: 26% амілози Воскоподібне море: 1% амілози з високим вмістом амілози кукурудза: 80% амілози Різні співвідношення амілоза/амілопектин продукти з високим вмістом амілози, біологічно розкладається, багато розгалужених флокулянтів (вода, очищення стічних вод) аніонні: фосфат крохмалю, катіонні: похідні ефіру крохмалю 6

Крохмальне перетворення Властивості крохмалю 20-60% кристалічний (ромбічний, триклінічний), інший аморфний Нерозчинний у воді кімнатної температури, не набрякає Нагрівання водної суспензії крохмалю при 50-60 С частинки набрякають (Г: зростає в 2-3 рази) 65 При -70 С гранули розриваються (витікають її вміст) - АВ: змочування - БК: набряк (оберт. Поглинання води) - КД: розчинення набряк + розчинення = схожість структура крохмалю незворотно змінюється пророщений крохмаль легше руйнується шлунково-кишковими ферментами, ніж природним крохмалем

Реакція крохмалю з йодом Ретроградація Характерна характеристика амілози частково зневоднюється при зіткненні двох молекул, вони стирчать і асоціюються з водневими зв’язками, у старому хлібі утворюються пластівчасті осад, ретроградація крохмалю в обох крохмалях у крихтах. ) має велике значення. Наприклад, це вказує на ступінь деградації крохмалю. Явище: крохмаль утворює з йодом синій комплекс. - амілоза: темно-синя - амілопектин: синювато-фіолетовий 6-8 одиниць глюкози пов'язують 1 атом йоду як комплекс. У спірально-резонансному полійодичному ланцюгу довжина ланцюга визначає світлопоглинальну здатність комплексу. Реакція рівноваги йодного зв’язку, K = f (DP-ступінь полімеризації) Сільськогосподарські галузі - Крохмаль 8 http://web.virginia.edu/heidi/chapter7/chp7.htm

Деградація крохмалю Деградація крохмалю У минулому кислотним каталізом: можуть бути їдкі, шкідливі побічні реакції (занадто сильний розпад глюкози) з 1970-х років ферментативним каталізом: сукупний ефект різних ферментів Ферменти деградації крохмалю -амілаза: ендо- фермент, мальтоза, граничний декстрин - поява: слина, підшлункова залоза, β-амілаза Bacillus: екзофермент, розщеплюється на кінці нередукуючого ланцюга - продукти: мальтоза та ß-прикордонний декстрин - поява: солодкий картопляний (солодкий) R-фермент: розщеплюється фермент розщеплюється - поява: у рослин - мікробний фермент з подібним ефектом - ізоамілаза та пуллуланаза Глюкоамілаза або амілоглюкозидаза: екзофермент, починається з нередукуючого кінця ланцюга - продукт: глюкоза - поява: мікроби, напр. Aspergillus niger - фермент з подібним дією на кишкову флору вищих організмів: -амілаза Сільське господарство - крохмаль 9

Виробництво кукурудзяного крохмалю Основні компоненти ядра кукурудзи Насіння кінчика Шкірка пов’язана з ядром, губчастою структурою, швидким поглинанням води, головним чином целюлозою та багатошаровою геміцелюлозною клітковиною, головним чином целюлозою та геміцелюлозою Зародки Зародки 11-12% від маси зерна, багатих маслом білок і цукор вони вкладають у висушену білкову матрицю - 34% борошна (м'яка частина), після подрібнення - 66% ріг (тверда), лише після попереднього розпушування, замочування крохмалю можна промивати Сільське господарство - Крохмаль 10

Виробництво кукурудзяного крохмалю II. Фракції стиглих ядер кукурудзи, їх ваговий відсоток та середній склад у% сухих речовин Сільськогосподарські галузі - Крохмаль 11

Виробництво кукурудзяного крохмалю III. Зберігання, збирання врожаю Збирання врожаю: з вмістом вологи 22-28% Сушіння у разі пошкодження зерен макс. При вмісті вологи 13% температура сушіння: 60 С Кукурудзу можна переробляти цілий рік! у формі, зібраній восени, згодом висушеній до вологості 16%. Раніше Сабадегігаза був винокурнею, потім ферментацією АБЕ пізніше етанолом. + виробництво крохмалю та ізоцукру isosugar Ефект США ізосахар (суміш глюкоза-фруктоза) дешевший за сахарозу (глюкозо-фруктозний дисахарид) Hungrana (Agrana + Tate & Lyle + ADM) - одна з перших компаній в країні, яка приватизується Ринок Європейського Союзу -провідний виробник цукру: починається з 200 т/день, пізніше 300, потім 1300, 2000, тепер майже 3500 т/день щорічно:> 1 млн т Сільське господарство - крохмаль 12

Hungrana Bioeconomy Company I (з веб-сайту компанії) Ми виробляємо натуральні продукти виключно природним шляхом, використовуючи широкий спектр найсучасніших технологій та відновлюваних джерел енергії, без відходів. Ми віримо, що сталого розвитку можна досягти лише відповідно до нашого середовища, з сильним акцентом на нашій відповідальності перед суспільством. Hungrana Keményítő- és Izocukorgyártó és Forgalmazó Kft. Більше 100 років є ключовим гравцем угорської харчової промисловості як найважливіша компанія з переробки кукурудзи в Європі. Виготовлені тут природні типи цукру та крохмалю, алкоголю та кормових інгредієнтів можуть зустрічатися споживачами щодня, коли вони купують молочні продукти, випічку, джеми чи безалкогольні напої та навіть паперову упаковку. Екологічна відповідальність має першорядне значення для Hungrana Kft., Прекрасним прикладом чого є той факт, що компанія виробляє біоетанольне паливо з відновлюваних джерел енергії, що продається як GreenPower E85. Сільськогосподарські галузі - крохмаль 13

Технологія виробництва крохмалю II. Замочування в сільськогосподарських галузях - крохмаль 16

Технологія виробництва крохмалю III. Грубе помелу - метою є відокремлення зародкової частини від насіння - кукурудза + вода для подрібнювача - можлива відстань між обертовим та стоячим диском, мінімальне пошкодження зародків, максимальне відділення зародків Розділення зародків - на основі різниці питомої ваги над гідроциклоном: Зародок (нижча питома вага: 1,03 г/см 3) внизу: ендосперм + оболонка (вища питома вага: 1,6 г/см 3) Тонке подрібнення, а потім видалення волокна - видалення волокна (оболонки) на ситовій системі - після волокниста сепарація крохмаль все ще містить 5-8% білка; вони відокремлюються відцентровим сепаратором або гідроциклонами крохмаль fs./1,5 білок fs.: 1,1 сепарація крохмалем макс. 0,3% білка - після відділення білка крохмальне молоко сушать за допомогою барабанної центрифуги, вакуумного барабанного фільтра, а потім сушать у пневматичній сушарці. Сільськогосподарські галузі - крохмаль 17

Технологія виробництва крохмалю IV. Сільськогосподарські галузі - крохмаль 18

Виробництво крохмалю, співвідношення продуктів Частка і склад кукурудзи та продуктів її виробництва у% сухих речовин Сільськогосподарські галузі - Крохмаль 19

Побічні продукти виробництва крохмалю Важливі побічні продукти Замочування соку, концентрованого до 50% крутого кукурудзяного лікёру - Відмінне джерело азоту для ферментації, на фармацевтичних фабриках - Змішане з кормом (побічний продукт, висушений у волокна) Зародкові олії - з кінця 1980-х їстівні олія - ​​перед екстракцією: пресуванням та екстракцією - (Кукурудзяна крапля Kukoricacsíra Feldolgozó Kft, Szabadegyháza) Фракція клітковини усуває камедь кукурудзяного волокна як рослинну камедь Білкова фракція - якщо є на ринку, продається окремо - біопластика зеїну (опція) (смоли та інша біопластика полімери) Сільськогосподарські галузі - крохмаль 20

Побічні продукти виробництва крохмалю II. із кукурудзи Склад кукурудзяного варення у% сухої речовини Білок N 7,5 Пептид та аміно N 35,0 Амід N та аміак 7,5 Вуглевод 2,4 Фітинова кислота (запасний фосфор) (інозитол гексафосфат К, Mg сіль) 7,5 Зола 18 .0 - з них K 4,5 - Mg 2,0 - P 3,3 Молочна кислота 26,0 Сільськогосподарські галузі - Крохмаль 21

Склад і використання ядер кукурудзи лігнін 5% олія 4% ацетат 2% зола 1% інше 10% білок 12% пентозан 33% целюлоза 13% крохмаль 20% ядро ​​кукурудзи як пластичний наповнювач 22

Технологія виробництва ізоцукру isosugar: глюкоза + фруктозний сироп в Америці є конкурентоспроможним сахарозою (дешевше за нас) В Угорщині він не може прорватися на роздрібний ринок, оскільки він рідкий, але виробники безалкогольних напоїв (Coca-Cola) використовують його у великих кількостях Етапи технології одержання ізоцукру: 1. -розпад амілази 2. амілоглюкозидаза (AMG) та оцукрювання глюкози амілоглюкозаю 3. ізомеризація - глюкоза фруктоза (42%) Виробництво ВЧ-сиропу Збільшення концентрації фруктози до 55%, починаючи з ізоцукру за допомогою іонного обміну 1.фракціонування фруктоза за допомогою іонообмінної хроматографії з наступним змішуванням чистої фруктози це збільшить концентрацію фруктози з 42% до 55%, 100% було б добре для препаратів для діабету, але дорогі сільськогосподарські галузі - Крохмаль 23

Технологія виробництва цукру Крохмальне молоко 36-38% суспензія крохмалю навіть закриті гранули ферментів працювали б дуже повільно в точці проростання кукурудзяного крохмалю 62 С (це буде як гума), не слід повільно нагрівати Струмінна плита миттєвий нагрів 10-12 бар - прямий пар до 130-145 C, тому він стає розчином і не проростає з невеликим дозуванням амілази та Са 2+ (необхідний для стабільності Е) -амілаза: Bacillus licheniformis/Bacillus subtilis потім вибухає в циклоні розширення (термічний + ферментативний травлення) Ліквідація 90-100 С, ще 60-90 хвилин - продукт додавання амілази: 15-18 DE декстрину (олігомери з приблизно 5 членами, негативний тест на йод) Сільське господарство - Крохмаль 24

Технологія виробництва ізоцукру - розкладання (розрідження) амілази DS = суха речовина Сільськогосподарські галузі - Крохмаль 25

Технологія виробництва ізоцукру Роль Na 2 CO 3 рН регулювання рН залежить від використовуваного ферменту Розробки - зниження потреби амілази Са 2+, оскільки отрута ферменту, що потребує Mg 2+ (ізомераза), повинна наближатися до температурного оптимуму Са 2+ ферменти - оптимальна температура амілази 85-90 С, але оптимум рН наступного ферменту (АМГ) - 60 С - приблизно. повинні бути однаковими, не потрібно регулювати рН між 2 кроками Виробники ферментів Genencor Novozymes Сільськогосподарська промисловість - Крохмаль 26

Технологія виробництва цукру, що використовується для цукеризації E: амілоглюкозидаза (AMG) (Hungrana: + пуллуланаза) слабокислі умови, рН 4,5-4,8 уповільнює час реакції, оскільки ланцюги декстрину скорочують час реакції: 60 годин Продукт DE: 97-98 фільтрація на діатомовій землі вакуумний барабанний фільтр з освітленням активованого вугілля, фільтрація Сільськогосподарська промисловість - крохмаль 27

Технологія ізоцукру, оцукрювання Сільськогосподарські галузі - крохмаль 28

Технологія виробництва ізоцукру Ізомеризація E: повний іонообмін перед використанням іммобілізованої ізомеразу глюкози (дорого), оскільки отрута Са 2+ до ізомерази MgSO 4 + Na-гідрогенсульфіт (або Na-піросульфіт) для стерилізації для мікробіологічної стабільності потрібна одна колонка на 100-110 днів може використовуватися температура ізомеризації: 42-45 С рн 7,8 ізомеризація після подальшого іонного обміну для видалення доданих хімічних речовин продукт: ізоцукор концентрується до 71,5%, отже 1 літр ізоцукру = 1 кг цукрового піску трохи дешевший, ніж цукровий пісок; транспортується в краще дозованих, легших в обігу автоцистернах з підігрівом (не менше 30 С, фруктоза кристалізується при низьких температурах) мальтозний сироп + ізоцукор зменшує схильність ізоцукру до кристалізації: безалкогольний напій, пиво, кондитерські вироби (раніше), сьогодні Coca-Cola містить 55% фруктози HF сироп використовується в сільськогосподарській промисловості - крохмаль 29

Ізомеризація технології виробництва ізоцукру ізодобрана сільськогосподарська промисловість - крохмаль 30

Високий рівень фруктозного сиропу Виробництво високочастотного сиропу Безалкогольний напій: для досягнення адекватної солодкості хроматографічне розділення глюкози та фруктози 50 м 3 іонообмінної смоли 4 колонки 42% фруктози сироп ізос + фруктоза сироп різні пропорції різних фруктозних сиропів 55% фруктозного сиропу 95% фруктозний сироп для приготування діабету Відносні солодощі буряковий цукор (сахароза, глюкозо-фруктозний дисахарид) 100% глюкоза (глюкоза) 60% фруктоза 140% ізосупле (суміш глюкоза-фруктоза, 42% фруктоза) на 100% краща з точки зору харчування, ніж буряк цукор як моносахарид Сільськогосподарські галузі - крохмаль 31

Крохмальні продукти ізосуплені Сільськогосподарські галузі - крохмаль 32

Запитання для підготовки 1. Як ми вимірюємо кількість ферментів? 2.Яке походження ферментів вам відомо, що мають найбільше промислове значення? 3. Що таке фіксовані ферменти? 4. З чого складається втрата активності при використанні іммобілізованих ферментів? 5.Що таке крохмаль, з яких компонентів він складається? 6. Які ферменти необхідні для гідролізу крохмалю до глюкози? 7. Що таке еквівалент декстрози? 8. У чому полягає крохмаль? 9. Які зв’язки знаходяться в амілозі та амілопектині? 10. Що таке зв’язування йоду, від чого воно залежить? Сільськогосподарські галузі - крохмаль 33

11. Що це за ендо і що саме екзо діє на фермент? 12. Яка мета замочування у виробництві кукурудзяного крохмалю? 13. Що ми відокремлюємо після грубого помелу зерна кукурудзи? 14. Які основні та побічні продукти можна отримати при вологому помелі зерна кукурудзи? 15. Що таке кукурудзяне варення, для чого його можна використовувати? 16. Технологічна схема виробництва кукурудзяного крохмалю. 17. Що таке цукор-ізота і як ми його виробляємо? 18.Який фермент необхідний для отримання ізоглюкози з глюкози? 19. Як зробити ВЧ-сироп (з високим вмістом фруктози)? 20. Яка солодкість глюкози, фруктози, ізоцукру в порівнянні з цукровим піском? Сільськогосподарські галузі - крохмаль 34