Ионообменная очистка сиропов из кукурузного крахмала

физические и химические методы переработки сельхозпродукции

УДК 664.161.8

Ионообменная очистка сиропов из кукурузного крахмала

Н. Д. ЛуКиН, д-р техн. наук, профессор; т. с. ПучКоВА, канд. техн. наук; Д. М. ПихАЛо

ВНИИ крахмалопродуктов — филиал ФНЦ пищевых систем им. В. М. Горбатова», п. Красково, Московская обл.

Известно, что ионообменные смолы широко используются для очистки сахарных сиропов, улучшения качества вин и соков, при производстве витаминов и лекарственных препаратов и для других целей. В крахмалопаточной промышленности ионообменная очистка сиропов различного углеводного состава (паточные, глюкозные и глюкозно-фрук-тозные сиропы) используется для деминерализации, удаления протеина, красящих веществ и других нежелательных примесей.

В 80-90-х годах прошлого века во ВНИИ крахма-лопродуктов при разработке технологии глюкозно-фруктозного сиропа (ГФС-42) проводили исследования по использованию различных ионообменных смол как импортного, так и отечественного производства [1—3]. В эти годы в институте были испытаны ионообменные смолы различных производителей для организации производства ГФС-42 на Ак-Суйском сахарном заводе (Киргизия). Для очистки сиропов сахаристых крахмалопродуктов обычно используются сильнокислотные катионообменные и слабоосновные анионообменные смолы полистирольного типа, сшитые дивинилбензолом.

Исследования показали, что требованиям производства ГФС-42 удовлетворяет сильнокислотный катионит марки КУ-2-8-чс отечественного производства, а испытанные слабоосновные аниониты по качеству намного уступают импортным смолам. Производство анионитов, удовлетворяющих требованиям по очистке сахаристых крахмалопродуктов, в России отсутствует [4].

В последние годы ряд крахмалопаточных предприятий закупили технологии зарубежных компаний по производству сахаристых крахмалопродуктов различного углеводного состава, в том числе ГФС-42, в которых очистка сиропов осуществляется с применением импортных ионообменных смол. Особенностью технологической схемы производства глюкозно-фруктозно-го сиропа (ГФС-42) является то, что ионообменная очистка осуществляется на двух станциях — до и после изомеризации. Очистка глюкозного сиропа перед изомеризацией применяется для удаления сопутствующих примесей глюкозного сиропа, а глюкозно-фруктозного сиропа после изомеризации — для удаления внесенных перед изомеризацией солей и перешедших из фермента глюкозоизомеразы примесей и красящих веществ [4].

Цель данной работы — исследование ионообменной очистки сиропов при производстве карамельной

кислотной патоки (ГОСТ 33917—2016), а также глюкозного сиропа при производстве ГФС-42 из кукурузного крахмала с использованием смол компании «Пьюролайт» (США).

Для проведения исследований были предоставлены следующие образцы ионообменных смол: сильнокислотный катионит марки C150S, слабоосновные аниониты марки PPA-100S и A103SPlus. Полученные характеристики ионообменных смол показывают, что они обладают высокой обменной емкостью (табл. 1) [5].

В качестве объекта исследований использовали паточный сироп, полученный при производстве патоки крахмальной карамельной кислотной по ГОСТ 33917—2016 (ОАО Хоботовское предприятие «КРАХМАЛОПРОДУКТ»), а также глюкозный сироп из производства ГФС-42 (ООО «АСТОН Крахмало-Продукты»).

При проведении исследований использовали следующие методы анализа и приборы:

♦ массовая доля влаги — на влагомере марки MF-50 (компания AND, Япония);

♦ определение углеводного состава образцов — на жидкостном хроматографе углеводов с рефрактометрическим датчиком компании Gilson;

♦ определение цветности сиропов — на фотометре марки КФК-3;

♦ массовая доля протеина по методу Кьельдаля — на аппарате марки К-424 (компания BUCHI Labor-tecknik, Германия);

♦ определение величины РВ, рН, сухого вещества, золы и других показателей — по принятым в крах-малопаточном и свеклосахарном производстве методикам [6].

Оценку качества ионообменной очистки сиропов проводили по продуктивности смолы, которая определяется объемом очищенного сиропа одним объемом смолы до ее заработки по показателю величины рН: катионит не выше 3,5; анионит не ниже 4,0.

Скорость пропускания сиропа составляла 1—2,5 объема сиропа на объем смолы в час при температуре не более 40 °С.

В табл. 2 приведены показатели качества сиропов различного углеводного состава для ионообменной очистки на смолах компании «Пьюролайт».

В связи с тем, что из всех приведенных в табл. 2 сахаристых сиропов максимальное содержание примесей содержится в кислотном паточном сиропе, далее — в глюкозном, для исследований по очистке

Таблица 1

Характеристика ионообменных смол компании «Пьюролайт»

Марка смолы Ионная форма Полная обменная емкость, г-экв/л Насыпная масса, г/л Влажность, % Удельный вес влажных зерен, г/мл

Катионит С150S Сильнокислотная Na+, Н+ 1,8 785-825 48-53 1,25

Анионит PPA-100S Слабоосновная ОН-, С1- 1,3 645-675 53-60 1,04

Анионит A103SPlus Слабоосновная ОН-, С1- 1,5 645-675 53-58 1,04

Таблица 2

Показатели качества сиропов из кукурузного крахмала перед ионообменной очисткой

Показатель Вид сиропа

паточный кислотный паточный ферментативный глюкозный

Содержание сухого вещества, % 34-36 30-35 35-40

Содержание редуцирующих веществ в пересчете на сухое вещество, % 42,4 42,0 97,5

Содержание золы в пересчете на сухое вещество, % 0,33 0,24 0,25

Содержание протеина в пересчете на сухое вещество, % 0,28 0,24 0,22

Цветность, ед. ICUMSA 219 200 320

Глюкозный или паточный сироп на ионообменную очистку

> 1

I ступень катионооб зменной очистки К1

4,5 -

4 -

3,5 -

3 -

2,5 -

2 - "

Рис. 1. Технологическая схема ионообменной очистки сиропа

ионообменными смолами были выбраны именно эти сиропы.

Предварительную подготовку ионообменных смол для исследований проводили по следующей схеме: замачивание смол в дистиллированной воде в течение 12 ч, далее — регенерация катионита 5 %-ным раствором соляной кислоты (3,0 об/об смолы) для перевода его в Н+-форму, анионита — 4%-ным раствором щелочи (3,0 об/об смолы) для перевода в ОН-форму и промывка дистиллированной водой. Расход воды на промывку катионита составил 4 об/об смолы, анионита — 10 об/об смолы. Подготовленные таким образом ионообменные смолы использовались для очистки паточного кислотного или глюкозного сиропа из кукурузного крахмала по схеме, приведенной на рис. 1.

Продуктивность ионообменных смол на I ступени очистки паточного кислотного сиропа (катио-

1,5 - --------------------------------~--------~--------~-----------------------------------

1 ----------------------------------------------------------------------------------------------------

0,5 ----------------------------------------------------------------------------------------------------

0 -I-,-,-,-,-,-,-,-,

5 10 15 20 25 30 35 38 40 Продуктивность смолы, объем сиропа на 1 объем смолы

Рис. 2. Продуктивность катионита C150S на Iступени очистки сиропа

Продуктивность смолы, объем сиропа на 1 объем смолы

Рис. 3. Продуктивность анионита PPA-100S на I ступени очистки сиропа

нит C150S; анионит PPA-100S) представлена на рис. 2 и 3.

Полученные результаты показали, что продуктивность смол на первой ступени ионообменной очистки составили: катионита C150S — 38 объемов сиропа

3 т

2,9 -

2,8 -

2,6 -

2,5

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Продуктивность смолы, объем сиропа на 1 объем смолы

Рис. 4. Продуктивность катионита C150S на IIступени очистки

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Продуктивность смолы, объем сиропа на 1 объем смолы

Рис. 5. Продуктивность анионита PPA-100S на II ступени очистки

Таблица 3

Показатели качества кислотного паточного сиропа до и после двухступенчатой очистки по схеме К1-А1-К2-А2

Наименование проб, ступени очистки рН Зола,% Эффект деминерализации, % Протеин, % Эффект очистки от протеина, % Цветность, ед. ICUMSA Продуктивность, об/об смолы

Исходный паточный сироп 4,5-6,0 0,33 — 0,28 — 219

I ступень очистки

Сироп после К1 1,7 0,10 — 0,12 — 98 38

Сироп после К1 -А1 4,6 0,10 69,7 0,10 64,3 103 30

II ступень очистки

Сироп после К1-А1-К2 2,55 0,05 — 0,08 — 105 70

Сироп после К1-А1-К2-А2 5,8-6,2 0,05 84,8 0,08 71,4 30 50

Таблица 4

углеводный состав паточного сиропа при двухступенчатой ионообменной очистке

Ступень очистки сиропа Содержание, %

олигоса-хариды м/триоза мальтозы глюкозы

Исходный сироп 50,97 15,03 14,92 19,07

1 ступень, К1 50,97 15,06 14,92 19,06

1 ступень, А1 50,72 15,17 15,34 18,77

II ступень, К2 51,04 14,59 15,51 18,86

II ступень, А2 50,93 14,80 15,54 18,73

с 1 объема смолы, анионита PPA-100S — не менее 30 объемов сиропа с 1 объема смолы.

На рис. 4 и 5 приведены данные по определению продуктивности ионообменной очистки паточного кислотного сиропа на II ступени.

Результаты исследований показали, что продуктивность смол на II ступени ионообменной очистки высокая: катионит C150S — не менее 70 объемов сиропа с 1 объема смолы (без признаков заработки смолы), анионита PPA-100S — не менее 50 объемов сиропа с 1 объема смолы. Величина рН сиропа при этом — 6,5.

Эффективность двухступенчатой ионообменной очистки кислотного паточного сиропа по схеме К1-А1-К2-А2 (катионит C150S, анионит PPA-100S) характеризуется данными табл. 3.

В результате проведенных исследований установлено, что эффективность ионообменной очистки кислотного паточного сиропа с использованием катионита марки C150S и анионита марки PPA-100S компании «Пьюролайт» на I ступени составляет: по деминерализации — около 70 %, удалению протеина — 64%, красящих веществ — 53%; на второй ступени: по деминерализации около 85%, удалению протеина — 71 %, красящих веществ — 86%.

Установлено, что углеводный состав сиропа в процессе ионообменной очистки практически не меняется (табл. 4).

Проведены исследования по ионообменной очистке глюкозного сиропа перед изомеризацией по двухступенчатой схеме с использованием сильнокислотного катионита C150S и анионита А103 SPlus. Полученные результаты свидетельствуют, что продуктивность смол не ниже, чем при очистке паточных кислотных сиропов (не менее 30 объемов на I ступени и 50 объемов на II ступени). Показатели качества глюкозного сиропа до очистки и после двухступенчатой ионообменной очистки приведены в табл. 5.

Таким образом, при двухступенчатой ионообменной очистке глюкозного сиропа эффект по деминерализации — 85%, удалению протеина — 65%, красящих веществ — 75%. Углеводный состав глюкозно-го сиропа в процессе ионообменной очистки, приведенный в табл. 6, практически не меняется.

Таблица 5

Показатели качества глюкозного сиропа до и после двухступенчатой ионообменной очистки по схеме К1-А1-К2-А2

Вид проб Зола, % Эффект деминерализации,% Протеин, % Эффект очистки от протеина, % Цветность, ед. ICUMSA, Э.О., %

Глюкозный сироп до очистки 0,25 — 0,22 — 320 —

Глюкозный сироп после очистки 0,04 85 0,08 65 80 75

Таблица 6

углеводный состав глюкозного сиропа при производстве ГФС-42

Содержание, %

Вид проб высокомолекулярные соединения трисахариды мальтоза глюкоза фруктоза

Глюкозный сироп перед ионообменом 1,17 1,15 2,14 95,54 0,0

Глюкозный сироп после ионообмена перед изомеризацией 1,25 0,85 2,09 95,81 0,0

Таким образом, проведенные исследования по ионообменной очистке паточных и глюкозных сиропов с использованием смол компании «Пьюролайт» показали высокую эффективность. Продуктивность смол (объем очищенного сиропа на 1 объем смолы до ее заработки и вывода на регенерацию) при очистке сиропов высокая: I ступень очистки — не менее 30 объемов; II ступень — не менее 50 объемов. Продолжительность работы пары ионообменников перед выводом на регенерацию может составлять не менее 12 ч в зависимости от качества исходных сиропов на очистку. Исследования показали, что при двухступенчатой ионообменной очистке паточных и глюкозных сиропов из кукурузного крахмала достигнут высокий эффект: по деминерализции — не менее 85%; по обесцвечиванию (удалению красящих веществ) — 86—75%; по удалению протеинов — 71—65%.

Проведенные в лабораторных условиях технологические испытания катионита марки C150S и слабоосновных анионитов марки PPA-100S и A103S компании «Пьюролайт» показали, что они удовлетворяют требованиям для очистки паточных и глюкозных сиропов из кукурузного крахмала и могут быть использованы предприятиями крахмалопаточной промышленности.

Результаты проведенных исследований были представлены участникам Международной конференции «Современные материалы, технологии очистки глю-козных, глюкозно-фруктозных, паточных сиропов, модификация крахмала», 11—15 сентября 2017 г.

Авторы благодарны сотрудникам компании «Пьюролайт» и ООО «Москомплектснаб» за предоставленные для исследований образцы ионообменных смол.

Литература

1. Материалы компании «Култор» (Финляндия). — М., 1990.

2. Материалы компании «Рокет Фрер». — М., 1989.

3. Ладур, Т. А. Основные направления производства глю-козно-фруктозных сиропов в СССР и за рубежом / Т. А. Ладур. — М.: АгроНИИТЭИПП. — Вып. 1. -1987. — 32 с.

4. Гулюк, Н. Г. Создание экологически безопасной технологии производства глюкозно-фруктозного сиропа / Н. Г. Гулюк, Т. А. Ладур, Т. С. Пучкова. — М.: АгроНИИТЭИПП. — Вып. 4. — 1991. — 31 с.

5. Материалы компании Пьюролайт (США). — М., 2010.

6. Лукин, Н. Д. Технологический контроль производства сахаристых крахмалопродуктов (методическое пособие) / Н. Д. Лукин [и др.]. — М.: Россельхозакадемия, 2007. — С. 261.

References

1. Materials of the company «Coulthor» (Finland). Moscow, 1990.

2. Materials of the company «Rocket Frer». Moscow, 1989.

3. Ladur T A. Osnovnye napravleniya proizvodstva glyukozno-fruk-toznykh siropov v SSSR i za rubezhom [The main directions of production of glucose-fructose syrups in the USSR and abroad]. Moscow, AgroNIITEIPP Publ. Ser. 19, issue 1, 1987. 32 p.

4. Gulyuk N. G., Ladur T. A., Puchkova T. S. Sozdanie ekolog-icheski bezopasnoi tekhnologii proizvodstva glyukozno-fruktozno-go siropa [Creation of ecologically safe production technology of glucose-fructose syrup]. Moscow, AgroNIITEIPP Publ. Issue 4, 1991. 31 p.

5. Materials of the company Pirolite (USA). Moscow, 2010.

6. Lukin N. D. et al. Tekhnologicheskii kontrol» proizvodstva sakharistykh krakhmaloproduktov (metodicheskoe posobie) [Technological control of production of sugary starch products (methodical manual)]. Moscow, Rossel'khozakademiya Publ., 2007.

Ионообменная очистка сиропов из кукурузного крахмала

Ключевые слова

ионообменная очистка; паточный, глюкозный сироп; продуктивность смол; смолы; углеводный состав; эффект очистки.

Реферат

Ряд предприятий крахмалопаточной промышленности России применяет ионообменные смолы для очистки сиропов из кукурузного крахмала (глюкозных и глюкозно-фруктозных) в производстве глюкозно-фруктозных, а также паточных сиропов. Для очистки сиропов сахаристых крахмалопродуктов используются сильнокислотные катионообменные и слабоосновные анионо-обменные смолы полистирольного типа. Требованиям производства глюкозно-фруктозного сиропа ГФС-42 удовлетворяет сильнокислотный катионит марки КУ-2-8-чс отечественного производства, а слабоосновные аниониты по качеству намного уступают импортным смолам. Производство анионитов, удовлетворяющих требованиям по очистке сахаристых крахмалопродуктов, в России отсутствует. В последние годы ряд крахма-лопаточных предприятий закупил технологии зарубежных компаний по производству сахаристых крахмалопродуктов различного углеводного состава, в том числе ГФС-42, в которых очистка сиропов осуществляется с применением импортных ионообменных смол. Во ВНИИ крахмалопродуктов в лабораторных условиях проведены исследования по ионообменной очистке паточных и глюкозных сиропов из кукурузного крахмала с использованием смол компании «Пьюролайт» (США): сильнокислотного катионита марки C150S и слабоосновных анионитов марки PPA-100S и A103S Plus. Показано, что при проведении двухступенчатой ионообменной очистки паточных и глюкозных сиропов из кукурузного крахмала достигается высокий эффект по деминерализации, удалению красящих веществ и протеинов. Продуктивность смол (объем очищенного сиропа на 1 объем смолы до ее заработки и вывода на регенерацию) при очистке сиропов высокая: I ступень — не менее 30 объемов; II ступень — не менее 50 объемов. Проведенные технологические испытания смол компании «Пьюролайт» (США) показали, что они удовлетворяют требованиям для очистки паточных и глюкозных сиропов и могут быть использованы предприятиями крахмалопаточ-ной промышленности.

Авторы

Лукин Николай Дмитриевич, д-р техн. наук;

Пучкова Татьяна Сергеевна, канд. техн. наук;

Пихало Дания Мустафиевна

ВНИИ крахмалопродуктов —

филиал ФНЦ пищевых систем им. В. М. Горбатова,

140051, Московская обл., Люберецкий р-н, п. Красково,

ул. Некрасова, д. 11, vniik@arrisp.ru

ion-exchange purification of Syrups from corn Starch Key words

ion-exchange cleaning; starch syrup, glucose syrup; efficiency of resins; resins; carbohydrate structure; effect of cleaning.

Abstract

A number of the enterprises of the starch and syrup industry of the Russian Federation apply ion-exchange resins for purification of starch syrup, glucose and glucose and fructose syrups from corn starch. For this purpose used there arehigh acidcation-exchange and low-basic anion-exchange resins of the polystyrene type. The home produced high acidcation exchanger of the KU-2-8-chs brandmeets productionof requirements for the glucose and fructose syrup GFS-42, but low-basic anioniteshave far lower quality than import resins. Rus-siahas no production of anionites meeting the requirements for purification of sugary starch products. In recent years, somestarch syrup enterprises bought technologies of the foreign companies producing sugar starch products of various carbohydrate structure, including GFS-42 where import ion-exchange resinsare used for purification of syrups. In the All-Russian Research Institute of Starch Products there are made laboratory researches on ion-exchange purification of starch and glucose syrups from corn starch with use of resins of the Pyyurolayt company (USA): high acidcation exchanger of the C150S brand and weak-basic anionites of the PPA-100S and A103S Plus brand. It is shown that when carrying out two-stage ion-exchange purification of starch and glucose syrups from corn starch the high effect of demineralization, removal of colorants and proteins is achieved. Efficiency of resins (a volume of the purified syrup by one volume of resinsbeforeits earn working and going to regeneration) is highat purification of syrups: at the 1 -st stage not less than 30 volumes; at the 2-nd one not less than 50 volumes. The carried-out proof tests of the Pyyurolayt company (USA) resins approved their meeting the requirements for purification of starch and glucose syrups and ability tobe usedat the enterprises of the starch syrup industry.

Authors

Lukin Nikolai Dmitrievich, Doctor of Technical Sciences; Puchkova Tatiana Sergeevna, Candidate of Technical Sciences; Pichalo Daniya Mustafievna All-Russian Research Institute of Starch Products — a branch of the Federal Scientific Center for Food Systems named after V. I. Gorbatova,

11 Nekrasov St., Kraskovo, Luberetskiy district, Moscow region, 140051, Russia, vniik@arrisp.ru