О возможности получения мальтодекстринов из кукурузной муки

теоретические аспекты хранения и переработки сельхозпродукции

УДК 664.13/664.16

О возможности получения мальтодекстринов из кукурузной муки

В. В. АНАНСКИХ, канд. техн. наук; Л. Д. ШЛЕИНА

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

Мальтодекстрины представляют собой отдельную группу крахмалопродуктов, получаемых путем частичного ферментативного гидролиза любого вида крахмала с последующими очисткой, концентрированием и сушкой. Они характеризуются содержанием редуцирующих веществ (РВ) в пределах 5—25%. Этот продукт представляет собой смесь углеводов: мальтозы, олигосахаридов, декстринов и незначительного количества глюкозы. Продукт без запаха, маслянистый и сладковатый на вкус.

Мальтодекстрины применяются в качестве углеводного компонента, структурообразователя, формующего агента, регулятора сладости, гигроскопичности, стабилизатора, нейтрального носителя вкусовых добавок при производстве продуктов питания, напитков во всех отраслях пищевой промышленности, фармацевтике, косметологии, а также в технических целях [1, 2]. Сегодня объем мальтодекстринов, импортируемых в Россию, составляет более 40 тыс. т в год.

Во ВНИИ крахмалопродуктов проведены исследования по разработке технологического процесса получения мальтодекстринов из крахмалсодержащего сырья, в частности из пшеничной и кукурузной муки. Технология мальтодекстрина из крахмалсодержащего сырья позволяет получить два товарных продукта, а именно: мальтодекстрин в порошкообразном виде и белково-углеводный концентрат.

Результаты исследований при получении мальто-декстринов из кукурузной муки тонкого помола производства ПАО «Петербургский мельничный комбинат» приведены в табл. 1.

Таблица 1

Показатели качества кукурузной муки высшего сорта в пересчете на сухие вещества

Показатель Массовая доля, %

при товарной влажности на СВ

Влага 14,0 0

Крахмал 70,7 82,2

Ди- и моносахары 1,3 1,5

Зола 1,0 1,2

Протеин 6,0 7,0

Пентозаны 0,5 0,6

Жир 1,8 2,0

Клетчатка 4,7 5,5

Итого 100,0 100,0

В качестве катализатора при ферментативном разжижении и декстринизации крахмала кукурузной муки использовали ферментный препарат термостабильной бактериальной а-амилазы «Liquozyme Supra 2,8X» фирмы Novozymes (Дания). Амилолитическая активность 2400 ед. АС/мл, оптимальная рабочая температура 95 °С, рН 5,5.

Процесс осахаривания крахмала в суспензии кукурузной муки до мальтодекстринов осуществляется в две стадии. Первая стадия — разжижение крахмала кукурузной муки путем термической обработки (90...95 °С) в присутствии ферментного препарата бактериальной а-амилазы с последующей обработкой при повышенной температуре 105 °С. Вторая стадия — декстринизация разжиженной суспензии при температуре 95 °С в течение 60—120 мин и периодическом перемешивании. Декстринизация проводится в специальном шкафу. В процессе декстринизации происходит разрыв длинных молекул разжиженного крахмала на короткие молекулы — декстрины. В месте разрыва молекулы крахмала присоединяется молекула воды, идет гидролиз, или процесс осахаривания.

Оценку процессов разжижения и осахаривания суспензии кукурузной муки проводили по степени нарастания глюкозного эквивалента (ГЭ) в фильтрованном сиропе, в зависимости от дозировки ферментного препарата и продолжительности ведения процесса.

Основными факторами, влияющими на процесс разжижения суспензии, являются:

♦ содержание сухих веществ в суспензии (25, 26,

27% СВ);

♦ дозировка ферментного препарата (0,3; 0,4; 0,5;

0,6 ед. АС/г);

♦ продолжительность процесса разжижения (0, 40, 60,

120, 180 мин).

Продолжительность процесса разжижения и осаха-ривания определяется путем суммирования времени проведения операций от начала подачи суспензии муки в реактор и до конца осахаривания. В реакторе 1-й стадии продукт нагревается и выдерживается при температуре 90.95 °С в течение 40 мин; крахмал клей-стеризуется, и его молекулы расщепляются на более короткие. После этой операции, называемой разжижением, вязкость продукта снижается, и он поступает на разваривание. При разваривании продукт нагревается до 105 °С и выдерживается при этой температуре в течение 10 мин. Общее время разжижения составило 60 мин. Далее разжиженный продукт помещали в

Таблица 2

Значения ГЭ в разжиженном и осахаренном продукте в зависимости от влияющих факторов

Факторы, влияющие на процесс разжижения Длительность процесса разжижения и осахаривания

СВ суспензии, % Дозировка а-амилазы, ед. АС/г 0 мин 40 мин 60 мин 120 мин 180 мин

Глюкозный эквивалент (ГЭ) фильтрата кукурузной муки, %

25 0,3 0 5,9 7,9 12,2 15,0

25 0,4 0 7,4 9,6 14,5 17,5

25 0,5 0 8,6 11,3 16,9 20,0

25 0,6 0 10,0 13,0 18,9 22,2

26 0,3 0 5,5 7,3 11,9 14,8

26 0,4 0 6,9 9,2 14,1 17,6

26 0,5 0 8,4 11,0 16,4 19,6

26 0,6 0 9,7 12,7 18,4 21,9

27 0,3 0 — — — —

27 0,4 0 6,5 8,9 13,8 17,7

27 0,5 0 8,2 10,8 16,0 19,6

27 0,6 0 9,5 12,4 18,0 21,6

шкаф с температурой 95 °С для осахаривания в течение двух часов. Каждый час отбирали пробу для определения в ней содержания сухих веществ и глюкозного эквивалента. Результаты анализов представлены в табл. 2.

25-г

20-

15-

10-

5-

0

0

150

50 100

Время осахаривания t, мин — d = 0,6 ед. АС/г — d = 0,5 ед. АС/г - - d = 0,4 ед. АС/г — d = 0,3 ед. АС/г

Рис. 1. Зависимость GE от продолжительности процесса осахаривания t при различной дозировке а-амилазы d. Концентрация сВ к = 26 %

25-г----------------------------------------------------------------------------------------------------------

20-

15-

10-

5-

0,3

0,6

0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 Дозировка а-амилазы d, ед. АС/г — t = 180 мин — t = 120 мин — t = 60 мин — t = 40 мин

Рис. 2. Зависимость GE oт дозировки а-амилазы d

при различной продолжительности процесса осахаривания t.

Концентрация сВ к = 26 %

Анализируя данные табл. 2, можно отметить, что значения ГЭ мальтодекстрина растут с увеличением дозировки а-амилазы и продолжительности процесса. Однако с увеличением концентрации суспензии муки величина ГЭ снижается, что вызвано увеличением вязкости и снижением контакта между молекулами крахмала и фермента [3]. При дозировке фермента 0,3 ед. АС/г и концентрации 27% СВ процесс разжижения на имеющемся оборудовании провести не представилось возможным.

Данные табл. 2 обработаны с использованием компьютерной математической программы Statistica 10 для получения математической модели процесса разжижения и осахаривания кукурузной муки. Величину оценки процесса ГЭ обозначили «GE», а влияющие на процесс факторы следующим образом: длительность процесса разжижения и декстринизации — t, мин; содержание СВ суспензии кукурузной муки — k, %; дозировку ферментного препарата а-амилазы «Liquozyme Supra 2,8X» — d, ед. АС/г. Уравнение для определения глюкозного эквивалента GE от влияющих факторов имеет вид

GE = -2,2 + 0,138 t - 0,00051 t2 + 16,8 d + 0,116 t d - 0,43 k d.

25 -r----------------------------------------------------------------------------------------------------------

20-

15-

10-

5-

22 23 24 25 26 27

Содержание СВ к, % — t = 180 мин — t = 120 мин — t = 60 мин — t = 40 мин

Рис. 3. Зависимость GE от концентрации сВ k при различной продолжительности процесса осахаривания и Дозировки а-амилазы d = 0,5, ед. Ас/г

0

0

Таблица 3

Показатели сырья и продуктов после фильтрования

Показатель Массовая доля, %

Затор кукурузной муки Осадок после фильтрования Раствор мальтодекстрина

Влажный 100% СВ К муке 100% СВ К муке 100% СВ

Влажность 75,0 0 0 0 0 0

Углеводы 20,7 83,7 28,5 64,6 55,2 98,7

Зола 0,16 1,2 0,9 2,0 0,3 0,6

Белок 1,55 7,0 6,6 15,0 0,4 0,7

Жир 0,4 2,0 2,0 4,5 0 0

Пентозаны 0,15 0,6 0,6 1,4 0 0

Клетчатка 1,17 5,5 5,5 12,5 0 0

Итого 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0

С помощью полученного уравнения и с использованием компьютерной программы МаШетайса 11 построены графические зависимости глюкозного эквивалента от факторов, влияющих на процесс разжижения и осахаривания крахмала в кукурузной муке (рис. 1, 2, 3).

Анализ зависимостей глюкозного эквивалента от влияющих на процесс разжижения факторов показал следующее. Изменение значений GE от продолжительности процесса осахаривания протекает по степенной или квадратичной зависимости, а от дозировки а-амилазы и концентрации суспензии муки — по линейной зависимости. Причем с увеличением дозировки фермента от 0,3 до 0,6 ед. АС/г значения GE увеличиваются, а при увеличении концентрации от 25 до 27% СВ — снижаются. При увеличении продолжительности процесса разжижения в пределах от 0 до 180 мин значения GE возрастают. Причем вначале рост GE (до 60 мин) идет интенсивно, а затем замедляется.

При повышении дозировки ферментного препарата а-амилазы в пределах от 0,3 до 0,6 ед. АС/г значения GE растут, причем чем выше дозировка, тем интенсивнее рост. При увеличении концентрации суспензии кукурузной муки от 25 до 27% СВ значения GE снижаются незначительно.

Осахаренный затор кукурузной муки концентрацией около 25% СВ направляется на фильтрование, где происходит отделение некрахмальных примесей (клетчатки, белка и др.) от раствора мальтодекстрина. Полученный раствор мальтодекстрина содержит 20—22% сухих веществ, а в осадке содержится до 30% сухих веществ.

Раствор мальтодекстрина очищают от взвешенных и красящих веществ. Эту операцию предпочтительнее проводить с раствором, имеющим низкую вязкость. Так, раствор мальтодекстрина концентрацией 21% и при значениях GE 16—22% имеет вязкость в пределах 3,6—3,5 мПа. с.

Из вышеизложенного следует, что оптимальная концентрация СВ суспензии кукурузной муки, направляемой на осахаривание, 25% СВ, дозировка ферментного препарата 0,5—0,6 ед. АС/г крахмала, продолжительность процесса декстринизации или осахаривания 60-120 мин.

Показатели качества сырья и полученных продуктов после фильтрования представлены в табл. 3.

При разделении более 50% углеводов остается в растворе и до 40% — в осадке. В пересчете на сухие вещества в растворе мальтодекстрина находится около 98% углеводов, а в осадке — более 60%. Практически весь белок остается в осадке (15,0%), а в раствор мальто-декстрина переходит только растворимая его часть (0,7%). Клетчатка, жир и пентозаны полностью переходят в осадок. Растворимые вещества жидкой фазы пропорционально распределены в осадке и растворе мальтодекстрина.

Выход мальтодекстрина определяется отношением сухих веществ в растворе к массе СВ в заторе и имеет значение 50-58%. Эти данные получены при фильтровании разжиженной кукурузной муки без избыточного давления через бумажный фильтр. При фильтровании суспензии на фильтре с созданием перепада давления над фильтрующей перегородкой скорость фильтрования увеличится, как и выход мальтодекстрина, до 70%.

Количество фильтрационного осадка зависит от качества сырья, условий проведения процесса разжижения и осахаривания, а также от вида фильтрующего оборудования. Использовать влажный осадок при его хранении до 6 ч в качестве корма животным можно лишь в том случае, если производство мальтодекстри-на находится в непосредственной близости от фермы. Влажный осадок после фильтрования требует дальнейшей обработки с целью получения сухого продукта в порошкообразном или гранулированном виде.

При сушке распылением для обеспечения оптимального диспергирования на центробежном диске сушилки вязкость раствора должна находиться в пределах 10-12 мПа-с [4]. Полученный раствор мальто-декстрина при концентрации 20-21% имеет вязкость 3,5-3,9 мПа-с. Для увеличения производительности по готовому продукту требуется повысить концентрацию СВ раствора, направляемого на сушилку. Однако с увеличением концентрации СВ вязкость раствора повышается. Для определения необходимой концентрации, при которой достигается оптимальная для распылительной сушки вязкость, проведена работа по изучению зависимости изменения вязкости раствора мальтодекстрина от его концентрации и температуры.

Полученный после фильтрования жидкий раствор мальтодекстрина концентрировали в выпарном аппа-

Содержание СВ, %

рис. 4. Зависимость вязкости раствора мальтодекстрина от температуры и содержания сухих веществ

рате с выносным трубчатым нагревателем при обогреве насыщенным водяным паром давлением 0,12— 0,15 МПа. Содержание сухих веществ в растворе мальтодекстрина увеличивалось от 20 до 60% СВ, при этом через каждые 10% СВ определяли вязкость на ротационном вискозиметре РЕОТЕСТ 2, предназначенном для определения динамической вязкости ньютоновских жидкостей.

Полученные данные по вязкости раствора мальто-декстрина в зависимости от содержания СВ и температуры обработаны с помощью математической программы Table Curve 3D v4.0 и представлены на рис. 4.

При помощи указанной программы определен характер изменения вязкости и получена математическая зависимость значений вязкости от температуры и содержания сухих веществ раствора:

Ln(n) = 7,673 - 2,1178-ln(t) + 0,00132-СВ2,

где п — вязкость раствора мальтодекстрина, мПа. с; t — температура сиропа, °С; СВ — содержание сухих веществ сиропа, %.

Из рис. 4 следует, что с повышением температуры вязкость раствора снижается, а с увеличением концентрации повышается.

Для определения требуемой концентрации раствора мальтодекстрина перед распылительной сушилкой требуется подставить значения вязкости и температуры в уравнение определения вязкости. Принимаем температуру 60 °С, вязкость — 12 мПас. После решения уравнения вязкости относительно СВ содержание сухих веществ в упаренном растворе, направляемом на распыление, должно быть не выше 51,4%.

Таблица 4

Показатели качества мальтодекстрина из кукурузной муки и крахмала, %

Показатель Мальтодекстрин из кукурузной муки Мальтодекстрин из кукурузного крахмала

Влажность 4,0 4,0

Углеводы 98,6 99,68

В том числе:

ВМС 75 80,17

мальтотриоза 15,5 12,19

мальтоза 8,5 6,09

глюкоза 1,0 1,55

белок 0,8 0,12

зола 0,6 0,2

Раствор после вакуум-аппарата подается на распылительную сушилку и центробежным распылителем диспергируется в сушильную камеру, в которую нагнетают сушильный агент — воздух температурой 180.. .200 °С [4]. За счет развитой поверхности диспергированных частиц происходит интенсивный тепло- и массообмен с горячим воздухом, и распыленные частицы быстро отдают свою влагу. Сухой мальтодекстрин в виде порошка оседает в коническом днище сушильной камеры и непрерывно вместе с отработанным воздухом выводится по трубопроводу в циклон. В циклоне происходит разделение порошка и воздуха, порошок собирается в нижней части циклона, где установлена приемная камера, откуда производится выгрузка готового продукта — мальто-декстринов.

Сравнительные качественные показатели готового продукта — мальтодекстрина, полученного из кукурузной муки, а также мальтодекстрина из кукурузного крахмала приведены в табл. 4.

Органолептические и качественные показатели мальтодекстрина из крахмалсодержащего сырья соответствуют показателям мальтодекстрина из крахмала. В образцах мальтодекстрина, полученного из кукурузной муки, отмечено незначительное превышение по содержанию золы и белка, что вызвано получением его из крахмалсодержащего сырья без соответствующей очистки сиропа.

Таким образом, разработанная во ВНИИ крахмало-продуктов технология позволяет получать мальто-декстрины из крахмалсодержащего сырья (кукурузной муки), что упрощает производственный процесс, способствует расширению ассортимента пищевых добавок для обогащения продуктов питания и кормовой базы.

Литература

1. Казакова, Н. В. Пищевая ценность — выше, калорийность — ниже. Исследования физико-химических и орга-нолептических показателей фруктового мороженого без сахара / Н. В. Казакова, А. А. Творогова // Мороженое и замороженные продукты. — 2008. — № 11. — С. 34—35.

References

1. Kazakova N. V., Tvorogova A. A. [Nutritional value — higher, calorie content — lower. Studies of physicochemical and organoleptic parameters of fruit ice cream without sugar]. Moro-zhhenoe izamorozhennyeprodukty, 2008, no. 11, pp. 34—35.

2. Gambus, Halina. Мальтодекстрин из овса как заменитель жира в бисквитах / Halina Gambus, Marek Gibinski, Florian Gambus // 3 Ogolnopolska konferencja naukowa «Owies — hodowla, uprawa I wykorzystanie». — Krynica, 2005. — 29—30 s.

3. Анапских, В. В. Мальтодекстрины из крахмалсодержащего сырья / В. В. Ананских, Л. Д. Шлеина // Хранение и переработка сельхозсырья. — 2015. — № 11. — С. 31—34.

4. Космодемьянский, Ю. В. Процессы и аппараты пищевых производств / Ю. В. Космодемьянский. — М.: Колос, 1997. — С. 170-185.

О возможности получения мальтодекстринов из кукурузной муки

Ключевые слова

глюкозный эквивалент; крахмалсодержащее сырье; кукурузная мука; мальтодекстрин; разваривание; разжижение; углеводно-белковый кормовой продукт.

Реферат

Сырьем для производства мальтодекстрина является крахмал. В статье представлены результаты получения и исследований мальтодекстринов из крахмалсодержащего сырья — кукурузной муки тонкого помола, в которой может быть до 70% крахмала. Содержание редуцирующих веществ (РВ) в растворе из кукурузной муки может составлять 15-25%. Процесс осахаривания крахмала в суспензии кукурузной муки до мальтодекстринов осуществляется в две стадии. Первая стадия — разжижение крахмала кукурузной муки путем термической обработки (90.. .95 °С) в присутствии ферментного препарата бактериальной а-амилазы с последующей обработкой при повышенной температуре 105 °С. Вторая стадия — декстринизация разжиженной суспензии при температуре 95 °С в течение 60-120 мин. В процессе декстрини-зации происходит разрыв длинных молекул разжиженного крахмала на короткие молекулы — декстрины. В месте разрыва молекул крахмала присоединяются молекулы воды, происходит гидролиз, или процесс осахаривания. При производстве мальтодекстри-на из нативного крахмала путем распылительной сушки сиропа получают порошкообразный продукт, состоящий из 99,7% углеводов и около 0,3% золы и растворимого белка. Выход мальтодекстрина из крахмала составляет более 98%. Мальтодекстрин из кукурузной муки состоит из 98,6% углеводов и около 1,4% золы и растворимого белка. Выход мальтодекстрина из кукурузной муки составляет 50-60%. При переработке кукурузной муки получают два продукта, это сам мальтодекстрин и углеводно-белковый кормовой продукт в количестве 40-50% от массы сухих веществ перерабатываемого сырья. Разработанная технология получения мальтодекстринов из кукурузной муки позволяет упростить производственный процесс, расширить ассортимент сахаристых крах-малопродуктов, что способствует импортозамещению.

Авторы

Ананских Виктор Владимирович, канд. техн. наук;

Шлеина Любовь Даниловна

ВНИИ крахмалопродуктов —

филиал ФНЦ пищевых систем имени В. М. Горбатова,

140051, Московская область, Люберецкий район,

п. Красково, ул. Некрасова, д. 11, vniik@arrisp.ru

2. Gambus Halina, Gibinski Marek, Gambus Florian [Malto-dextrin from oats as a substitute for fat in biscuits]. 3 Ogolnopolska konferencja naukowa «Owies — hodowla, uprawa I wykorzystanie», Krynica, 2005, pp. 29—30.

3. Ananskikh V. V., Shleina L. D. [Maltodextrins from starch-containing raw materials]. Khranenie ipererabotka selkhoz-syrya, 2015, no. 11, pp. 31—34.

4. Kosmodem'yanskii Yu. V. Protsessy i apparaty pishchevykh proizvodstv [Processes and devices of food production]. Moscow, Kolos Publ., 1997.

About a possibility of Receiving Maltodextrins from cornmeal

Key words

glucose equivalent; starch-containing raw materials; cornmeal; maltodextrin; cooking; dilution; carbohydrate-protein fodder product.

abstract

Starch is the raw material for production of maltodextrin. The article contains the results on researches of receiving maltodextrins from starch-containing raw materials — cornmeal of a fine grinding in which there can be up to 70% of starch. There can be 15-25% of the reducing substances (RS) in cornmeal solution. Process of saccharification of starch in cornmeal suspension to maltodextrins is carried out at two stages. The first stage a dilution of cornmeal starch by a heat treatment (90...95 °C) in the presence of enzyme preparation of a bacterial a-amylase followed by the treatment at the higher temperature 105 °C. The second stage is a dextrinization of the diluted suspension at 95 °C within 60-120 min. During the dextrinization long molecules of the diluted starch are breaking to short ones — dextrines. In the point of fracture of molecules of starch water molecules join, there is a hydrolysis, i. e. saccharification process. At the production of maltodextrin from native starch by spraying drying of syrup it is received the powdery product having 99.7% of carbohydrates and about 0.3% of ash and soluble protein. The starch yields more than 98% of maltodextrin. Maltodextrin from cornmeal contains 98.6% of carbohydrates and about 1.4% of ash and soluble protein. The cornmeal yields 50-60% of maltodextrin. When processing cornmeal two products are received: they are maltodextrin and carbohydrate-protein fodder product consisting 40-50% based on dry solids of the processed raw materials. The developed technology of receiving maltodextrins from cornmeal allows to simplify production, to expand the range of sugary starch products and to provide their import substitution.

Authors

Ananskikh Victor Vladimirovich, Candidate of Technical Sciences; Shleina Lyubov Danilovna

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