Сравнительная оценка эффективности разделения картофельного крахмала на амилозу и амилопектин химическими методами

А. Ш. Закирова, Д. Ш. Ягофаров, А. В. Канарский,

Ю. Д. Сидоров

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗДЕЛЕНИЯ КАРТОФЕЛЬНОГО КРАХМАЛА НА АМИЛОЗУ И АМИЛОПЕКТИН ХИМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Ключевые слова: крахмал, разделение, химические методы, амилоза, амилопектин.

Дана сравнительная оценка эффективности разделения картофельного крахмала на амилозу и амилопектин химическими методами. Установлено, что наибольшая эффективность разделения достигается при использовании в качестве комплексообразователя бутанола. Применение сульфатов требует дополнительных затрат на очистку амилозы и снижает выход готового продукта.

Для оценки содержания амилозы в готовом продукте использован фотоколори-метрический метод.

Keywords: starch, separation, chemical methods, amylose, amylopectin.

The comparative estimation of efficiency of division of potato starch on amylose and amylopectin is given by chemical methods. It is established that the greatest efficiency of division is reached at use in quality complexing agent butanol. Application of sulfates demands additional expenses for clearing amylose and reduces an exit of a ready product. To estimate the maintenance of amylose in a ready product a photocolorimetric method is used.

Актуальность

В результате хозяйственной деятельности антропогенная нагрузка на окружающую среду интенсивно возрастает. Во многом это обусловлено применением синтетических материалов в технических целях, в частности, в качестве тароупаковочных, композиционных материалов. Напряженная экологическая обстановка, сложившаяся в результате скопления ТБО, требует неотложного решения проблемы [1, 2].

Создание биоразлагаемых полимерных материалов на основе природных полимеров -шаг на пути к достижению равновесной экологической ситуации во всем мире [3, 4].

Амилоза и амилопектин как составные части картофельного крахмала являются природными компонентами. На их основе перспективным являются создание и применение биодеградируемых полимерных материалов различного назначения. Известно несколько способов получения амилозы и амилопектина из крахмала. Однако отсутствуют сведения об эффективности того или иного способа [5, 6].

Цель настоящей работы - сравнительная оценка разделения картофельного крахмала на амилозу и амилопектин химическими методами.

Для достижения данной цели решались две задачи:

- определение эффективности разделения картофельного крахмала на амилозу и амилопектин с использованием неорганических солей в качестве осадителей;

- определение эффективности разделения картофельного крахмала на амилозу и амилопектин с использованием органических комплексообразователей.

Экспериментальная часть

В исследованиях использовали картофельный крахмал высшего сорта, изготовитель ООО «РАСПАК», Россия, город Москва. Предварительно из крахмала получали клейстер с концентрацией сухих веществ от 1 до 2,5 % при температуре (55 - 60) °С. Разделение амилозы и амилопектина проводили двумя способами: неорганическими солями и спиртами. Неорганические соли использовали как осадитель амилозы, спирты - комплексообразователи [5, 7].

В качестве неорганических солей-осадителей использовались: сульфаты магния, аммония и натрия. Крахмальный клейстер обрабатывался совместно с сульфатами при температуре (120±2) °С в течение 2 часов. Расход осадителя варьировался от 2 до 10г на 1г крахмала. После разваривания клейстера, совместно с выбранным осадителем, осаждение амилозы проводилось при комнатной температуре в течение 48 часов.

При химическом разделении с комплексообразователями использовали спирты: бутанол и этанол. Температура при обработке клейстера с комплексообразователями варьировалась от 90 до 130 °С, продолжительность обработки - от 1 до 2 часов. Расход комплексообразователя варьировался от 8 до 25 мл на 1 г крахмала. Спирты добавлялись в разваренный и предварительно охлажденный до температуре 60-70 °С клейстер. Исследуемые образцы, после температурной обработки, постепенно охлаждались, далее выдерживались при температуре (20±2) °С в течение 24 часов. Продолжительность осаждения амилозы с спиртами от 1 до 14 суток. После первых 24 часов растворы выдерживались в холодильнике при температуре (4±1) °С для дальнейшего осаждения амилозы.

Для разделения осадков, содержащих амилозу, от надосадочной жидкости, содержащий амилопектин, образцы центрифугировали при 12 000 мин-1 в течение 15-30 минут. При разделении картофельного крахмала введением сульфатов выбранная соль выпадала в осадок с амилозой. Необходимым условием выделения твердой фазы путем осаждения является избыток вещества - оса-дителя. Образующийся осадок загрязнен избытком осадителя - сульфата. Используемые сульфаты хорошо растворимы в воде, поэтому легко вымываются из осадка.

Однако при вымывании сульфата возможно растворение амилозы и её потери. Для исключения потерь амилозы в воду вводился этиловый спирт в количестве до 35%. Этиловый спирт образует с амилозой нерастворимый комплекс и его наличие в растворе препятствует растворению амилозы.

После промывки осадки с амилозой и жидкая фаза с амилопектином высушивались при комнатной температуре (20±2) °С до влажности 5 %.

Оценку эффективности химического разделения и выход амилозы проводили фотоколори-метрическим методом [8, 9, 10]. Для построения калибровочного графика использовалась химически чистая амилоза. Предварительно амилоза растворялась в 90% растворе ДМСО. При измерениях использовали светофильтр с максимумом пропускания в зоне 590 нм.

По результатам опыта был построен калибровочный график, который представлен на рисунке 1.

Зависимость оптической плотности и количества амилозы описывается уравнением y = 86,624x, коэффициент аппроксимации равен 0,89.

В каждом исследуемом образце определяли количество амилозы по вышеуказанной методике. Из соотношения общего количества амилозы в исходном крахмальном растворе, которую приняли за 100 %, и количества амилозы в осадке рассчитали эффективность химического разделения. Выход амилозы соответствовал количеству амилозы в осадке исследуемого образца.

Рис. 1 - Калибровочный график для количественного определения амилозы

Результаты и обсуждение

Наиболее характерные полученные результаты исследований представлены в таблицах 1 и 2.

Из результатов, приведенных в таблице 1 можно сделать вывод о том, что в пределах исследованных расходов осадителей на 1 г крахмала взаимосвязь между количеством осадителя с эффективностью разделения и выходом амилозы отсутствует, что может быть обусловлено потерями, возникающими при отмывании амилозы от осадителя. При этом следует указать, что наибольший выход амилозы можно получить при использовании в качестве осадителя сульфата магния. Выход амилозы составил 23 %, эффективность разделения - 76 % при концентрации крахмала в растворе 1,5 %.

Таблица 1 - Эффективность разделения неорганическими солями и выход амилозы при фракционировании крахмала*

Осадитель Концентрация крахмального раствора, % Расход осадителя, г на 1 г крахмала Эффективность разделения, % Выход амилозы, %

Сульфат магния 1 10 24 19

1.5 8,6 76 23

2 2 77 19

Сульфат аммония 1 6 37 18

7 63 17

Сульфат натрия 1 3 34 14

4 23 11

5 11 10

7 34 17

8 31 12

* Предварительная обработка крахмального раствора проводилась при температуре (120 ±2) °С в течение 2 часов; крахмальный раствор обрабатывался вместе с осадителем. Осаждение проводилось при комнатной температуре в течение 48 часов

Таблица 2 - Эффективность химического разделения спиртами и выход амилозы при фракционировании крахмала

Спирт Концентрация крахмально-го раствора, % Расход спирта, мл на 1 г крахмала Температура предварительной обработки крахмала, °С* Продолжи-тель-ность обработки, ч Продолжи-тель-ность осаждения, сутки*** Эффек-тив-ность разделения, % Выход амилозы, %

Бутанол 1,16 17 120-130 1 14 75 48

1,16 17 90-95** 1,5 7 80 31

1,5 13 90-95 2 1 57 34

1,5 13 90-95 2 2 80 26

2 10 120-130 1 14 68 65

2,5 8 120-130 1 14 74 68

Этанол 1,5 20 90-95 2 1 60 28

1,5 20 90-95 2 2 93 30

1,16 25 120-130 1 1 94 35

* комплексообразователи добавлялись после разваривания раствора;** разваривание крахмального раствора проводилось с добавлением спирта;*** исследуемые образцы после разваривания охлаждались и в течение 24 часов выдерживались при комнатной температуре, затем помещались в холодильник для дальнейшего осаждения

В таблице 2 представлены результаты исследований по химическому разделению крахмала на амилозу и амилопектин с использованием спиртов. При сравнении эффективности разделения амилозы и амилопектина органическими спиртами, наибольший показатель эффективности разделения достигается при использовании бутанола, что вероятно является следствием его лучшей комплексообразующей способностью с амилозой. При концентрации раствора 2 и 2,5% эффективность разделения составила 68-74 %, выход амилозы 65-68 %. Температура разделения составила 120-130°С.

Введение спиртов на стадии разваривания картофельного клейстера способствует повышению эффективности разделения, особенно при низких температурах, но одновременно приводит к снижению выхода амилозы. Повышение концентрации крахмала в развариваемом клейстере обусловлено увеличением расхода спирта необходимого для осаждения амилозы.

Одним из основных факторов определения эффективности разделения крахмала на его составляющие части является температура обработки [11, 12]. С повышением температуры в интервале (90-130) °С эффективность разделения и выход амилозы увеличивались. Это вероятно связано с более эффективным развариванием картофельных зерен. Использование этанола по сравнению с бутанолом дает высокую эффективность разделения (до 94 %), но выход амилозы имеет низкие значения до 35%. В качестве комплексообразовате-лей следует использовать бутанол для лучших показателей эффективности разделения и выхода амилозы.

Выводы

Таким образом, по показателям эффективности разделения и выхода амилозы можно говорить о том, что метод разделения картофельного крахмала со спиртами является более целесообразным, чем с солями. Недостатком разделения картофельного крахмала с использованием неорганических солей является загрязнение амилозы сульфатом. Это требует дополнительных технологических операции по промывке амилозы, что увеличивает продолжительность процесса разделения, расход реагентов и приводит к потере амилозы.

Литература

1. Сухарев, Л.А. Биотехнология защитных полимерных и неорганических покрытий / Л. А. Сухарева, В.С. Яковлев. - М.: Пищевая промышленность, 2001. - 328 с.

2. Harding, S.E. Biopolymer Mixtures / S. E. Harding, S. E. Hill, J. R. Mitchell. - Trowbridge, Wiltshire.: Redwood Books, 1995. - 499 р.

3. Легонькова, О. А. Тысяча и один полимер от биостойких до биоразлагаемых / О. А. Легонькова, Л. А. Сухарева. - М.: РадиоСофт, 2004. - 272 с.

4. Фомин В. А. Биоразлагаемые полимеры / В. А. Фомин, В. В. Гузеев. // Химия и жизнь. - 2005. -№7. - С. 9 - 11.

5. Рихтер, М. Избранные методы исследования крахмала / М. Рихтер [и др.]. - М.: Пищевая промышленность, 1975. - 181 с.

6. Karlsson, M. Starch in Processed Potatoes. Influence of tuber structure, thermal treatments and amylose/amylopectin ratio / M. Karlsson. - Lund.: Media-Tryck, 2005. - 55 р.

7. Суворова, А. И. Биоразлагаемые полимерные материалы на основе крахмала / А.И Суворова, И.С. Тюкова, Е.И. Труфанова. // Успехи химии. - 2000. - №5. - Р. 494 - 502.

8. Wolf, M. J. Amylose determination in dimethyl sulfoxide extracts of maize / M. J. Wolf, E. N. Melvin, W. J. Garcia. // Cereal chemistry. - 1970. - №4. - Р. 437 - 446.

9. Sene, M. Simultaneous spectrophotometric determination of amylose and amylopectin in starch from maize kernel by multi-waverelegth analysis / M. Sene, C. Thevenot, L. Prioul. // Fournal of cereal science. - 1997. - №26. - Р. 211-221.

10. ISO 6647 - 1, 2. Rice. Determination of amylase content. - TC 34/SC 4, 2007. - 18 р.

11. Сотников, В.А. Экстрагирование и фракционирование крахмал- и целлюлозосодержащего сырья водными растворами комплексонов / В. А. Сотников, В. С. Гамаюрова, А. В. Канарский, В. В. Марченко, О. Н. Мякишев // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2004. - № 2. - С. 131-137.

12. Сотников, В.А. Способ снижения эффективной температуры хемогидротермического разваривания крахмалистого сырья / В. А. Сотников, В. С. Гамаюрова, В. В. Марченко // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2004. - № 1. - С. 233-238.

© А. Ш. Закирова - асп. каф. пищевой инженерии малых предприятий КГТУ, aygulzakirova@mail.ru; Д. Ш. Ягофаров - асп. той же кафедры, ripper-kicker@mail.ru; А. В. Канарский - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, alb46@mail.ru; Ю. Д. Сидоров - канд. техн. наук, ст. препод. той же кафедры, sidud@mail.ru.