Способ выделения из крахмальной суспензии нативного крахмала, фракционированного по размеру крахмальных гранул
METHOD OF EXTRACTING FROM A STARCH SUSPENSION OF NATIVE STARCH, FRACTIONATED BY SIZE OF STARCH GRANULES

Изобретение относится к крахмало-паточной отрасли пищевой промышленности и может быть использовано при получении из суспензии нативного крахмала, классифицированного по размеру гранул.
Изобретение позволяет разработать высокоэффективный, экономичный и экологически безопасный способ выделения из крахмальной суспензии нативного крахмала, классифицированного по размеру гранул.
Известен способ переработки кукурузы на крахмал, предусматривающий пять обязательных стадий: предварительное размягчение структуры зерна кукурузы путем замачивания его в кислой среде, выделение и промывание зародыша, выделение и промывание мезги, выделение и концентрирование белка, промывание крахмала и его сушка [1].
Недостатком известного способа является сложность технологического процесса и невозможность получения нативного кукурузного крахмала необходимых органолептических и физико-химических свойств. Таким способом можно получить только нативный кукурузный крахмал с характеристиками, регламентированными в ГОСТ 7697-82 «Крахмал кукурузный».
Известны способы переработки картофеля на крахмал с использованием разнообразных технологических схем, оснащенных различными видами применяемого для этих целей технологического оборудования. Однако, независимо от аппаратурного оформления, каждый из этих способов включает стадии производства, которые свойственны всем современным технологиям производства картофельного крахмала: подготовка картофеля к переработке, измельчение, выделение картофельного (клеточного) сока и мезги, очистка крахмала, его обезвоживание и сушка [2].
Недостатками известных способов являются громоздкость технологической линий, длительность и сложность технологического процесса при одновременной невозможности получения нативного крахмала заданных свойств.
Известен способ переработки сырья различного ботанического происхождения с выделением групп частиц крахмала, классифицированного по размеру гранул в воздушной среде. Разделение осуществляется в три стадии: на первой стадии осуществляется ситовое разделение сухого крахмала с выделением крахмальных гранул размером более 100 мкм. На второй стадии осуществляют разделение крахмальных гранул по размеру в поле центробежных сил для выделения крахмальных гранул в интервале размеров 30-100 мкм. На третьей стадии осуществляется фильтрация при помощи рукавных фильтров с выделением гранул в интервале размеров 10-30 мкм.
Недостатком известного способа является сложность технологического процесса и его невысокая эффективность.
Наиболее близким к изобретению является способ получения нативного крахмала [3] - прототип, предусматривающий подготовку к переработке и измельчение крахмалсодержащего сырья, использование
многоступенчатой гидроциклонной установки, на которой осуществляются операции разделения тонкоизмельченного крахмалсодержащего сырья на крахмальную суспензию и смесь мезги с другими побочными продуктами, а также впоследствии осуществляют частичное сгущение крахмальной суспензии, с последующим обезвоживанием, сушкой, удалением металломагнитных примесей, фасовкой, упаковкой, маркировкой и транспортированием крахмала.
По техническим характеристикам и технико-экономическим показателям гидроциклонная установка многократно превосходит другие виды технологического оборудования.
Недостатком способа является, прежде всего, невозможность получения крахмала с заданными потребительскими характеристиками (органолептическими и физико-химическими свойствами). Данным способам можно получить нативный крахмал только с потребительскими характеристиками, регламентированными ГОСТ 7699-78 «Крахмал картофельный».
Нативный крахмал, в том числе и картофельный, широко используется в пищевой промышленности и технических целях. Очень часто для получения качественного конечного продукта требуется применение нативного крахмала с целенаправленно измененными свойствами. Изменение свойств нативного крахмала осуществляют в результате модифицирования (воздействия физическим или химическим или сочетанным модифицирующим фактором), что существенно повышает стоимость крахмала и не является экологически безопасным. Кроме того, химически модифицированные замещенные крахмалы обладают измененной структурой и имеют небольшое количество включенного в структуру химического модифицирующего фактора, что не является естественным и не всегда полностью безопасно для организма человека.
Таким образом, технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является разработка высокоэффективного, экономичного и экологически безопасного способа получения из крахмальной суспензии нативного крахмала, фракционированного по размеру крахмальных гранул, из сырья различного ботанического происхождения, что позволит осуществлять тонкую регуляцию потребительских характеристик (органолептических и физико-химических свойств), не используя физических, химических и сочетанных модифицирующих факторов.
3
Решение технической задачи достигается тем, что способ выделения из крахмальной суспензии нативного крахмала, фракционированного по размеру крахмальных гранул, предусматривающий подготовку к переработке и измельчение крахмалсодержащего сырья, использование многоступенчатой гидроциклонной установки, на которой осуществляются операции разделения тонкоизмельченного крахмалсодержащего сырья на крахмальную суспензию и смесь мезги с другими побочными продуктами, а также впоследствии осуществляют частичное сгущение крахмальной суспензии, с последующим обезвоживанием, сушкой, удалением металломагнитных примесей, фасовкой, упаковкой, маркировкой и транспортированием крахмала, отличается тем, что полученная крахмальная суспензия после рафинирования перед ее сгущением подвергается процессу разделения на фракции, отличающиеся размерами крахмальных гранул, при этом разделение осуществляется в несколько стадий: ситовое разделение, позволяющее выделять гранулы размером более 50 мкм с использованием ситовых установок ВС-4, Ш5-ПСЛ-200, РЗ-ПСЛ-100, ЦЛС-100, ЦЛС-200, БСС-100, Ш5_ПСБ-9, ПСУ-100, ПСУ-200, БСК-200 с металлическими ситами, имеющими отверстия ячеек круглой или квадратной формы с размерами 150 мкм, 100 мкм и 50 мкм при температуре не более 30°С при средней производительности сит от 1500 до 4000 кг/ч; разделение в гидроциклонной установке с расходом суспензии - до 2500 м/час, диаметром цилиндрической части - до 2000 мм, углом конической части от 10° до 160°, диаметром питающего отверстия - до 420 мм, диаметром сливового отверстия - до 520 мм для выделения гранул в интервале размеров 30-50 мкм; фильтрация для выделения гранул в интервале размеров 10-30 мкм на мембранных фильтрах с частотой работы насоса от 35 до 50 Гц с Давлением на выходе 4 атм. для получения фракций в интервале размеров от 10 мкм до 30 мкм, 18 атм. и с температурой фильтруемой крахмальной суспензии не более 40°С - при получении фракции менее 10 мкм.
3
Нативный крахмал - природный полимер, в котором мономеры (остатки α-D-глюкопиранозы) связаны α-(1→4)- и α-(1→6)-глюкозидными связями, образуя амилозу (полимер линейного строения) и амилопектин (полисахарид разветвленного строения). Крахмальные фракции (амилоза и амилопектин) компактно упакованы в крахмальные зерна (гранулы). Крахмальные гранулы имеют овальную, сферическую или неправильную форму, их диаметр колеблется в пределах 0,002-0,15 мм. Крахмальные зерна разделяются на простые и сложные: простые зерна представляют собой однородные образования; сложные - сочетание более мелких частиц. Плотность крахмала равна в среднем 1,5 кг/м.
Таким образом, на основании анализа особенностей строения нативного крахмала можно сделать предположение, что основной структурной характеристикой строения нативного крахмала, обуславливающей его свойства, является крахмальная гранула. Так, особенности размера и формы крахмальных гранул обуславливают (определяют) проявление следующих свойств (характеристик) крахмала:
1. Количество связанной влаги (чем больше крахмальная гранула, тем больше связанной влаги имеется в крахмале и наоборот).
2. Температуру клейстеризации (чем больше крахмальная гранула, тем меньше температура ее клейстеризации и наоборот).
3. Соотношение крахмальных фракций разветвленной фракции амилопектина и линейной амилозы (формирование крахмальной гранулы обусловлено взаимодействием линейных участков амилопектина друг с другом или с амилозой).
4. Реологические характеристики крахмального клейстера (вязкость крахмального клейстера обусловлена соотношением крахмальных фракций амилопектина и амилозы).
Способ реализуется следующим образом.
Для переработки можно использовать следующее крахмалосодержащее сырье (нативный крахмал) по техническим нормативным правовым актам: ржаной, пшеничный, тритикалевый, ячменный, овсяный, кукурузный, рисовый, пшонный, чумизный, сорговый, гречишный, картофельный, тапиоковый или маниоковый, гороховый, нутовый, фасолевый, бобовый, чечевичный, банановый.
Технология получения нативного крахмала включает следующие последовательно осуществляемые технологические операции: подготовку к переработке и измельчение крахмалсодержащего сырья, использование многоступенчатой гидроциклонной установки, на которой осуществляются операции разделения тонкоизмельченного крахмалсодержащего сырья на крахмальную суспензию и смесь мезги с другими побочными продуктами, а также впоследствии осуществляют частичное сгущение крахмальной суспензии, с последующим обезвоживанием, сушкой, удалением металломагнитных примесей, фасовкой, упаковкой, маркировкой и транспортированием крахмала.
На фиг. 1 схематично представлен способ получения нативного крахмала, фракционированного по размеру крахмальных гранул, из сырья различного ботанического происхождения - способ получения нативного фракционированного крахмала.
Полученная крахмальная суспензия после процесса рафинирования перед сгущением разделяется на фракции, отличающиеся размерами крахмальных гранул, при этом разделение осуществляется в несколько стадий:
- ситовое разделение крахмала с выделением крахмальных гранул размером более 50 мкм;
- разделение крахмальных гранул по размеру в гидроциклонной установке для выделения крахмальных гранул в интервале размеров 30-50 мкм;
- фильтрация при помощи мембранных фильтров с выделением гранул в интервале размеров 10-30 мкм.
Далее приведены примеры конкретного выполнения изобретения. Характеристики фракции гранул нативного крахмала приведены в таблице 1.
Пример 1. Фракционирование крахмальных гранул по размеру методом ситового разделения.
При ситовом разделении крахмальная суспензия пропускаются через сита или решета. При прохождении суспензии через сито частицы твердой фазы задерживаются на поверхности ситового полотна, а жидкая фаза свободно протекает через мелкие поры ситового полотна и далее выводится из устройства. Крупность получаемых фракций при этом определяется размерами отверстий сит.
Постепенно на поверхности фракционируемого материала образуется осадок, который служит дополнительным фракционирующим слоем. С увеличением слоя осадка размер фракционируемых гранул уменьшается, но возрастает потеря напора при прохождении жидкости через ситовую перегородку. В связи с этим при образовании слоя осадка определенной толщины фракционирование нужно прекратить, а лишний слой осадка удалить с поверхности сита. Сита для фракционирования крахмальной суспензии могут быть тканевыми (хлопчатобумажными, шерстяными, синтетическими), стеклоткаными, металлическими, из пористой керамики или пористого стекла, графита. Применяемые сита имеют каркас из нержавеющей стали или малоуглеродистой стали, изготавливаются как с круглыми, так и с квадратными отверстиями. Температура разделяемой крахмальной суспензии не должна превышать 30°С.
Группы сит различаются по принятой системе нумерации. В качестве номера металлического сита принят размер его ячеек в мм. Так, если сито №850, то это значит, что размер его ячеек равен 0,85 мм. Таким образом, для получения фракционированного нативного крахмала фракций групп «Максимус», «Макси» и «Пионер» можно использовать сита с круглыми или квадратными отверстиями с размерами ячеек 150 мкм (0,15 мм), 100 мкм (0,1 мм) и 50 мкм (0,05 мм) соответственно на ситовых установках различных конструкций и производителей, применяемые в крахмало-паточной и молочной промышленности: ВС-4, Ш5-ПСЛ-200, РЗ-ПСЛ-100, ЦЛС-100, ЦЛС-200, БСС-100, Ш5_ПСБ-9, ПСУ-100, ПСУ-200, БСК-200 и другие [4].
Пример 2. Фракционирование крахмальных гранул по размеру в гидроциклонной установке.
Фракции крахмала с размерами частиц менее 50 мкм предлагается перемещать в системах гидротранспорта. Для выделения фракций группы «Супериор» нативного крахмала проходовую фракцию после ситовой установки по системе гидротранспорта предлагается направлять в гидроциклоны, которые применяются для разделения твердых частиц в жидкой среде или жидком растворе.
В основе конструкции гидроциклона лежит принцип использования сил гравитации и центробежной силы. Процесс выделения частиц крахмала посредством гидроциклона представляет собой комплексный гидродинамический процесс, при котором жидкость с твердыми частицами различных размеров перемещается в разных направлениях вихреобразно. Крупные частицы нативного крахмала собираются во внешних слоях жидкости и выводятся с ней в сборник, образуя, таким образом, фракцию «Пионер», а жидкость с более мелкими частицами крахмала выводится из аппарата и направляется на дальнейшую очистку.
3
Для получения фракционированного нативного крахмала фракций группы «Супериор» можно использовать гидроциклоны различных конструкций и производителей, применяемые для очистки жидкости от твердых частиц в различных отраслях пищевой промышленности. Основными техническими характеристиками гидроциклонов будут являться: расход суспензии - до 2500 м/час; диаметр цилиндрической части - до 2000 мм; угол конической части от 10° до 160°; диаметр питающего отверстия - до 420 мм; диаметр сливного отверстия - до 520 мм.
Пример 3. Фракционирование крахмальных гранул по размеру методом фильтрации.
После гидроциклона по системам гидротранспорта наиболее мелкие фракции нативного крахмала направляются на разделение в мембранные фильтры, где получают фракции групп «Прима», «Секунда» и «Отход». Мембранные фильтры применяют для высокоэффективной очистки жидких систем с выделением твердых микрочастиц (размер микрочастиц менее 30 мкм). Для крахмального производства предлагается использовать трубчатые мембранные фильтры различных производителей, применяемые в молочной промышленности [4]. Основными техническими характеристиками мембранных фильтров будут являться: частота работы насоса в рабочем режиме от 35 до 50 Гц; при получении фракции группы «Прима», «Секунда» давление на выходе составит около 4 атм.; при получении фракции группы «Отход» - около 18 атм. Температура фильтруемой крахмальной суспензии не должна превышать 40°С.
Таким образом, нами предлагается высокоэффективный, экономичный и экологически безопасный способ получения нативного фракционированного крахмала из сырья различного ботанического происхождения, позволяющий осуществлять тонкую регуляцию потребительских характеристик (органолептических и физико-химических свойств) нативных крахмалов и других пищевых порошков не используя физических, химических и сочетанных модифицирующих факторов.
Источники информации, принятые во внимание при оформлении заявки:
1. Крахмал и крахмалопродукты / Н.Г. Глюк, А.И. Жушман, Т.А. Ладур, Е.А. Штыркова. - М.: Агропромиздат, 1985. - 240 с.
2. Костенко В.Г., Овчинников А.Е., Горбатов В.М. Производство крахмала. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. - 200 с.
3. Андреев Н.Р. Основы производства нативных крахмалов. М.: Изд.: Пищепромиздат, 2001. - С. 289.
4. Технологическое оборудование предприятий молочной промышленности / В.Д. Сурков, Н.Н. Липатов, Ю.П. Золотин. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1983. - 432 с.