Влияние технологических параметров на физико-химические показатели тритикалевого декстрина

УДК 664.2.059.225

Влияние технологических параметров на физико-химические показатели тритикалевого декстрина

Л. С. СОЛОМИНА, канд. техн. наук; Д. А. СОЛОМИН

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

К числу важнейших направлений инновационного развития предприятий крахмалопаточной отрасли следует отнести производство декстринов пищевого и технического назначения. Декстрины — это смесь продуктов с различной молекулярной массой, полученная в результате химического, физического, биохимического или комбинированного воздействия на крахмал. Российские потребители не обеспечиваются декстринами в полном объеме отечественными производителями, и недостаток покрывается значительными поставками из-за рубежа. На внутреннем рынке крахмалопродуктов широко представлены декстрины пищевого и технического назначения импортного производства из разных стран мира, полученные на основе картофельного, кукурузного, тапиокового и пшеничного крахмалов.

Технические декстрины хорошо растворяются в холодной и горячей воде, образуя клеевые дисперсии, и применяются в различных отраслях промышленности в качестве клеящего, связующего и загущающего компонента для производства клеев [1,2].

В настоящее время на предприятиях крахмалопаточной отрасли РФ производят узкий ассортимент декстринов, в основном кукурузные и в небольших объемах картофельные декстрины. Расширение ассортимента и увеличение объема производства декстринов с использованием зернового и клубневого крахмалов является актуальной задачей для развития крахмалопаточной отрасли.

В последнее время все большее внимание исследователей привлекает новый вид зерна — культура тритикале, полученная в результате межродовой гибридизации пшеницы и ржи [2, 3]. Высокая урожайность зерна тритикале, высокое содержание в нем крахмала и сравнительно низкая себестоимость получаемого из него крахмала позволяют считать этот зерновой продукт перспективным сырьем для производства крахмала и его модификаций.

Во ВНИИ крахмалопродуктов проведены исследования по использованию тритикалевого крахмала как ценного сырья для производства модифицированных крахмалов [4-6].

Цель исследования — разработать научно обоснованные параметры производства нового вида декстрина с высокой степенью растворимости в холодной воде на основе тритикалевого крахмала.

В данной работе использован термохимический

метод получения тритикалевого декстрина, который

предусматривает обработку сухого крахмала при высоких температурах в присутствии сильной неорганической кислоты и широко используется в экономически развитых странах мира.

Разработка технологии нового вида декстрина на основе альтернативного сырья и внедрение ее на предприятиях отрасли позволит расширить ассортимент, увеличить объем производства декстринов отечественного производства и повысить импорто-замещение.

В качестве объекта исследования выбран трити-калевый крахмал отечественного производства со следующими физико-химическими показателями: массовая доля влаги — 11,7%; содержание растворимых веществ — 1,2%; содержание редуцирующих веществ — 0,1 %; массовая доля золы — 0,2%; массовая доля белка — 0,54%; титруемая кислотность — 18,4 см3 0,1 NaOH. В качестве катализатора использовали соляную кислоту по ГОСТ 857 марки А.

В данной работе использовали как общепринятые, так и специальные методы оценки качества сырья и готовых продуктов. Основные свойства крахмала и декстрина оценивали по следующим методикам: массовую долю влаги, общую кислотность, массовую долю белка и золы — по ГОСТ 7698; динамическую вязкость клейстеров — вискозимет-рическим методом с использованием вискозиметра Гепплера; степень растворимости декстрина в холодной воде — рефрактометрическим методом по ГОСТ 6034; редуцирующие вещества — химическим методом Бертрана.

Образцы тритикалевого декстрина получали в цехе модифицированных крахмалов ВНИИ крахмалопродуктов с использованием декстринизатора периодического действия с электрическим обогревом.

Для проведения исследований разбавленный раствор соляной кислоты 10%-ной концентрации распыляли пульверизатором на сухой крахмал при его непрерывном перемешивании. Расход кислоты изменяли от 0,02 до 0,12% (в пересчете на содержание газа HCI) к массе сухих веществ крахмала. Образцы подкисленного крахмала сначала подсушивали в декстринизаторе при температуре 100... 110 °С до содержания массовой доли влаги 3-4%, затем декстринизировали при температуре 140... 180 °С до заданной растворимости. Готовые образцы охлаждали, просеивали через металлическое сито с квадрат-

Таблица 1

Влияние расхода кислоты на физико-химические свойства декстрина и продолжительность декстринизации

Расход газа HCl к массе сухих веществ крахмала, % Продолжительность декстринизации, мин Содержание редуцирующих веществ, % Кислотность, 0,1 М NaOH, см3 Динамическая вязкость клейстера, мПа-с Цвет декстрина

0,02 110 0,4 25 40 Белый

0,04 80 0,8 29 42 »

0,06 65 1,3 36 38 »

0,08 40 1,9 42 35 »

0,10 35 3,3 49 31 »

0,12 31 4,3 58 25 Палевый

ными ячейками (длина стороны в свету 1 мм) и анализировали.

Основной процесс, происходящий при декстринизации крахмала, — расщепление его полисахаридных молекул. Вследствие деполимеризации молекул существенно изменяются его свойства, а именно: повышается степень растворимости в холодной воде и снижается динамическая вязкость клейстера. Если на технологический процесс расщепления крахмала воздействовать двумя факторами — теплом и катализатором, — то он значительно ускоряется и протекает более технологично. На процесс получения декстрина существенное влияние оказывают вид сырья и технологические параметры его обработки: расход реагента, температура и продолжительность обработки.

Исследования по влиянию расхода соляной кислоты на свойства тритикалевого декстрина проводили при температуре декстринизации 160 °С до получения декстрина белого цвета с растворимостью 60%.

Результаты исследований показали, что с увеличением расхода соляной кислоты деструкция полисахаридных молекул крахмала повышается, в результате чего продолжительность декстринизации крахмала для получения белого декстрина с заданной растворимостью в холодной воде снижается (табл. 1).

Экспериментально определено, что с увеличением расхода кислоты содержание редуцирующих веществ в образцах декстрина постоянно повышается. Эти результаты свидетельствуют о протекающем процессе деполимеризации полисахаридных молекул крахмала, который усиливается с повышением расхода катализатора.

С повышением расхода соляной кислоты повышается общая кислотность декстрина, вычисленная на основании данных титрования. Наибольшие показатели кислотности были у образцов декстрина, полученных при расходе катализаторов 0,12% к массе сухого крахмала.

При декстринизации крахмала могут происходить процессы, ведущие к ослаблению и частичному расщеплению водородных и гликозидных связей. Следствием всех этих процессов является изменение реологических показателей. Уменьшение динамической вязкости образцов декстрина свидетельствует о повы-

шении степени расщепления полисахаридных молекул крахмала. При расходе соляной кислоты свыше 0,10% цвет декстринов становился палевым в результате образования красящих веществ.

На основании экспериментальных данных установлено, что при одинаковой растворимости декстрины, приготовленные с разным количеством соляной кислоты, отличаются по цвету, вязкости и содержанию редуцирующих веществ. Продолжительность декстринизации уменьшается пропорционально количеству вводимой в крахмал кислоты. Для обеспечения высокой технологичности процесса и получения тритикалевого декстрина белого цвета рекомендован расход соляной кислоты на уровне 0,08— 0,10% к массе сухих веществ крахмала.

Важнейшими переменными факторами процесса декстринизации являются температура и продолжительность нагрева крахмала. Изучение влияния этих факторов на свойства декстрина даст возможность получить готовый продукт с заранее заданными свойствами и проанализировать характер физических и химических процессов, происходящих при термохимической обработке сухого крахмала. Для проведения исследований температуру декстринизации крахмала изменяли от 140 до 180 "С с интервалом в 10 °С. Расход соляной кислоты составлял 0,08% к массе сухих веществ крахмала.

Рис. 1. Влияние температуры и продолжительности декстринизации на степень растворимости тритикалевого декстрина

70 1

2 60

Ь 50-

1 40 Б

о

й 30

20 -

10

7 т

а

з

3" 2

го :

CL

.4

о О

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Продолжительность декстринизации, мин 140 °С -Ш-150°С -А- 160 °С -D-170 °С -О-180°С

Рис. 2. Влияние температуры и продолжительности декстринизации на динамическую вязкость 25%-ного клейстера тритикалевого декстрина

Природный (нативный) крахмал нерастворим в холодной воде. Однако декстринизация крахмала приводит к значительной деструкции его макромолекул с образованием частиц, легко переходящих в растворимое состояние. Растворимость декстрина в холодной воде является основным показателем, по которому оценивается качество готового продукта. Экспериментально определено, что с увеличением температуры и продолжительности декстринизации растворимость образцов декстрина повышается и достигает максимального значения (100%) при температурах обработки крахмала 140... 180 °С, но разной продолжительности процесса (рис. 1). Повышение степени растворимости декстрина на ранних стадиях декстринизации обусловлено ослаблением водородных связей, которые удерживают мицелляр-ные и структурные части и молекулы воды в связанном состоянии, а также реакцией гидролиза, в результате которой образуются низкомолекулярные продукты, легкорастворимые в холодной воде. С увеличением продолжительности декстринизации содержание влаги в декстрине уменьшается в результате ее испарения, и реакция гидролиза уступает место термическому расщеплению молекул полисахаридов.

Полученные в процессе исследований экспериментальные данные обработаны с использованием математической программы Table Curve-3D.4a и аппроксимированы уравнением, позволяющим определить степень растворимости тритикалевого декстрина при различных параметрах его обработки. Зависимость степени растворимости Р тритикалевого декстрина от температуры Т и продолжительности обработки т описывается следующим уравнением:

Р= 175,7 -22651/7+ 1,294т°-51п(т).

Данное уравнение описывает процесс получения декстрина при расходе соляной кислоты 0,08% газа

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Продолжительность декстринизации, мин -Ф-170°С -И-160°С -А- 150 °С

Рис. 3. Влияние температуры и продолжительности декстринизации на содержание редуцирующих веществ в тритика,1евом декстрине

HCI к массе сухих веществ крахмала, изменении температуры 140°С< Т< 180 °С и продолжительности декстринизации.

Коэффициент корреляции, равный 0,976, свидетельствует о достаточно высокой степени точности описания процесса декстринизации данным уравнением.

При декстринизации крахмала могут происходить процессы, ведущие не только к расщеплению водородных и гликозидных связей, но и к изменению форм молекул. Следствием всех этих процессов является изменение вязкости его клейстеров. Изменение вязкости клейстера тритикалевого декстрина в зависимости от температуры и продолжительности термохимической обработки представлено на рис. 2. Анализ данных показал, что с повышением температуры от 140 до 180 °С динамическая вязкость образцов тритикалевого декстрина постоянно уменьшается, причем наиболее интенсивное уменьшение показателей вязкости наблюдается в первые два часа. Цвет образцов тритикалевого декстрина при высокой степени его растворимости менялся от белого до палевого и желтого вследствие образования красящих веществ. Результаты исследований показали, что с повышением температуры и продолжительности декстринизации содержание редуцирующих веществ в декстрине постоянно увеличивается (рис. 3). Повышение содержания редуцирующих веществ обусловлено образованием низкомолекулярных продуктов, обладающих восстанавливающей способностью, вследствие деполимеризации полисахаридных молекул крахмала.

Проведена сравнительная оценка физико-химических свойств тритикалевого и кукурузного декстринов, полученных в опытном производстве ВНИИ крахмалопродуктов при одинаковых условиях: расход соляной кислоты составлял 0,08% к массе СВ крахмала, температура декстринизации крахмала — 160 °С. Термообработка крахмалов продолжалась до получения декстринов со степенью растворимости в холодной воде 100%.

Таблица 2

Сравнительная оценка физико-химических свойств тритикалевого и кукурузного декстринов

Продукт Динамическая вязкость 25%-ного клейстера, мПа-с Степень растворимости в холодной воде при 20 °С, % Массовая доля влаги, % Содержание редуцирующих веществ, %

Тритикалевый декстрин 21 100 0,48 4,2

Кукурузный декстрин 17 100 0,46 5,8

Установлено, что при одинаковой растворимости показатели динамической вязкости у образцов тритикалевого декстрина выше, а содержание редуцирующих веществ меньше, чем у кукурузного декстрина (табл. 2).

Декстрины, полученные из тритикалевого крахмала, представляют собой мелкодисперсные порошки от белого до палевого и желтого цвета в зависимости от технологических параметров производства. Плотность тритикалевого декстрина, определенная при атмосферном давлении, составляет в среднем 565 кг/м3.

Таким образом, проведенные исследования показали, что тритикалевый крахмал является перспективным сырьем для производства декстрина. Определены научно обоснованные параметры технологического режима получения тритикалевого декстрина с высокой степенью растворимости в холодной воде. Изменяя температуру, продолжительность декстри-низации и расход соляной кислоты, можно получить серию тритикалевых декстринов, имеющих разные

Литература

1. Жуишан, А. И. Модифицированные крахмалы / А. И. Жуш-ман — М.: Пищенромиздат, 2007. — 236 с.

2. Грабовец, А. И. Значение тритикале, как культуры, на современном этапе. Сборник трудов: Достижения, направления развития сельскохозяйственной науки России /А. И. Грабовец — Ростов-на-Дону, 2005. — С. 65-68.

3. Беспалова, Л. А. Сорта пшеницы и тритикале КНИИСХ /Л.А. Беспалова [идр.] - Краснодар: КНИИСХ, 2009. -92 с.

4. Андреев, Н. Р. Новые источники сырья для производства крахмала / Д. А. Соломин, А. И. Грабовец // Экономика, труд и управление в сельском хозяйстве. — 2013. — № 1. — С. 73-76.

5. Соломина, Л. С. Расширение сырьевой базы для производства модифицированных крахмалов / Л. С. Соломина, Д. А. Соломин // Хранение и переработка сельхозсы-рья. - 2015. - № 6. - С. 36-40.

6. Соломин, Д. А. Факторы, влияющие на процесс окисления тритикалевого крахмала / Д. А. Соломин, Л. С. Соломина // Хранение и переработка сельхозсырья. — 2017. — №5.-С. 18-22.

физико-химические свойства, в том числе разную динамическую вязкость, растворимость в холодной воде, редуцирующую способность, что позволяет составлять на их основе множество клеевых композиций для использования в различных отраслях народного хозяйства. Разработка технологии декстрина из ценного альтернативного сырья — тритикалевого крахмала — предусмотрена для расширения ассортимента, повышения объемов производства отечественных декстринов, импортозамещения и широкого использования их в качестве клеящих и связующих компонентов. Полученные результаты являются основой для разработки технических условий и технологической инструкции на производство тритикалевого декстрина. Технология тритикалевого декстрина является безотходной и представляет интерес как в теоретическом, так и практическом плане. Специального оборудования для промышленного производства тритикалевого декстрина не требуется, технология может быть внедрена на действующих декстриновых предприятиях.

References

1. Zhushman, A.I. Modificirovannye krahmaly / A.I. Zhush-man — M.: Pishhepromizdat, 2007. — 236 s.

2. Grabovec, A. I. Znachenie tritikale, kak kul'tury, na sovremen-nom jetape. Sbornik trudov: Dostizhenija, napravlenija raz-vitija sel'skohozjajstvennoj nauki Rossii / A. I. Grabovec — Rostov-na-Donu, 2005. - S. 65-68.

3. Bespalova, L.A. Sorta pshenicy i tritikale KNIISH / L. A. Bes-palova [i dr.] - Krasnodar: KNIISH, 2009. - 92 s.

4. Andreev, N. R. Novye istochniki syr'ja dlja proizvodstva krah-mala / D. A. Solomin, A. I. Grabovec // Jekonomika, trud i upravlenie v sel'skom hozjajstve. — 2013. — № 1. — S. 73-76.

5. Solomina, L. S. Rasshirenie syr'evoj bazy dlja proizvodstva modificirovannyh krahmalov / L. S. Solomina, D. A. Solomin // Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ja. — 2015. — №6. — S. 36-40.

6. Solomin, D.A. Faktory, vlijajushhie na process okislenija tri-tikalevogo krahmala / D.A. Solomin, L.S. Solomina // Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ja. — 2017. — №5. — S. 18-22.

Влияние технологических параметров на физико-химические показатели тритикалевого декстрина

Ключевые слова

декстринизация; технологические факторы; тритикалевый декстрин; тритикалевый крахмал; физико-химические показатели.

Реферат

В работе изложены результаты исследования процесса получения тритикалевого декстрина термохимическим методом. В качестве катализатора применяли соляную кислоту. Определено влияние основных технологических параметров, в том числе расхода катализатора, температуры и продолжительности декстринизации крахмала на физико-химические свойства тритикалевого декстрина. Установлено, что степень растворимости декстрина достигает максимального значения (100%) при температурах 140... 180 °С. С ростом температуры продолжительность декстринизации существенно уменьшается. Для обеспечения высокой технологичности процесса и получения высококачественного тритикалевого декстрина рекомендован расход соляной кислоты на уровне 0,08-0,10% газа HCl к массе сухих веществ крахмала. Выявлено, что при декстринизации крахмала интенсивно протекает процесс деполимеризации полисаха-ридных молекул крахмала, в результате которого повышается степень растворимости декстрина и содержание редуцирующих веществ, уменьшается динамическая вязкость клейстера. Проведена математическая обработка экспериментальных данных по программе Table Curve 3D.4a. Получено уравнение регрессии для определения степени растворимости декстрина от технологических параметров. Проведена сравнительная оценка физи-ко-химических свойств декстринов, полученных из тритикалевого и кукурузного крахмалов при одинаковых условиях обработки. Установлено, что при одинаковой растворимости динамическая вязкость тритикалевого декстрина выше, чем у кукурузного декстрина. Показано, что, изменяя температуру, продолжительность декстринизации и расход катализатора, можно получать серию тритикалевых декстринов, имеющих разную динамическую вязкость, растворимость в холодной воде, редуцирующую способность, что позволяет составлять на их основе множество клеевых композиций для различных отраслей промышленности.

Авторы

Соломина Лидия Степановна, канд. техн. наук; Соломин Дмитрий Анатольевич

ВНИИ крахмалопродуктов — филиал ФНЦ пищевых систем

им. В.М. Горбатова РАН,

140051, Московская область, Люберецкий район,

пос. Красково, ул. Некрасова, д. 11, solominmitya@yandex.ru

Influence of Technological Parameters on Physical and Chemical Characteristics of the Triticale Dextrine

Key words

dextrinization; technology factors; triticale dextrine; triticale starch; physical and chemical characteristics.

Abstract

The work covers the research results of receiving triticale dextrine by a thermochemical method. The hydrochloric acid was applieda catalyst. It is defined the influence of key technological parameters, such as the catalyst consumption, temperature and time of starch dextrinization on physical and chemical properties of a triticale dextrine. It is shown that a degree of dextrine solubility reaches the maximum value (100%) at 140... 180 °C. As the temperature rises the dextrinization time significantly lows. To provide high efficiency process and receive a high-quality triticale dextrine the consumption of the hydrochloric acid is recommended at 0.08-0.10% of HCI gas to the dry solids of starch. It is revealed that when dextrinization starch the depolymerization process of polysaccharide molecules of starch intensively proceeds as a result the degree of solubility of dextrine and the content of reducing substances are raising, but the dynamic viscosity of paste decreases. Mathematical data interpretation according to the Table Curve 3D. 4a program is carried out. The regression equation is received to definea degree of dextrine solubility at its various parameters of processing. It is carried out a comparative assessment of physical and chemical properties of dextrines received from triticale and corn starch under identical conditions. It is established that dynamic viscosity of a triticale dextrine is higher, than of a corn one at their identical solubility. It is shown that a series of triticale dextrines having the different dynamic viscosity, solubility in cold water, reducing ability are possible to be received by changing temperature, dextrinization time and the catalyst consumption that allows to make a set of glue compositions on their basis for various industries.

Authors

Solomina Lidiya Stepanovna, Candidate of Technical Science;

Solomin Dmitry Anatolievich All-Russia Research Institute for Starch Products — a branch of the Federal Scientific Center for Food Systems named after V. M. Gorbatov of RAS,

11 Nekrasova str., Kraskovo, Luberetskiy district, Moscow region, 140051, Russia, solominmitya@yandex.ru