Крахмал и сахаристые крахмалопродукты (патоки, глюкозные и глюкозо-фруктозные сиропы) имеют устойчивый и стабильно возрастающий спрос. Мировое производство глюкозно-фруктозных сиропов составляет около 15 млн т в год. В странах – основных производителях крахмала и крахмалопродуктов (США, Канада, Германия, Франция, Дания, Голландия, Япония и Таиланд), ежегодное производство крахмала и сахаристых крахмалопродуктов составляет 20–50 кг на душу населения, в России – лишь 0,2 кг. Согласно национальной Программе «Развитие биотехнологии в РФ на 2006–2015 гг.», принятой на III Съезде биотехнологов, организация производства глюкозо-фруктозных сиропов является приоритетным направлением в развитии отечественной биотехнологии [1]. Существующие промышленные технологии биоконверсии крахмалов на сахаристые крахмалопродукты являются сложными многостадийными, энергоемкими процессами [2]. Одна из причин этого – морфологические особенности нативного крахмала, особенно полукристаллическая структура крахмальных гранул, существенным образом препятствующая ферментативной доступности нативного крахмала. Следовательно, гипотетически, изменив фазовую, морфологическую и молекулярную структуры крахмала и увеличив доступность ферментов, можно сократить продолжительность процесса ферментативного гидролиза крахмала в патоку и уменьшить энергозатраты.
Анализ научных публикаций показал, что перспективно использовать крахмал, обработанный инфракрасным излучением (ИК), генерируемым галогеновыми лампами марки КГТ 220-1000. В результате облучения происходит декстринизация – разрушение крахмальных гранул с одновременной трансформацией амилозы и амилопектина, делая их более доступными для ферментов [3, 4].
Цель исследования: определение возможного уменьшения значений параметров времени и энергозатрат при ферментативном гидролизе крахмала, обработанного инфракрасным излучением, в процессе получения патоки крахмальной.
Материалы и методы исследования
Для исследований был подготовлен кукурузный крахмал нативный (контроль) и обработанный ИК излучением [3] в количестве 3 кг каждого. ИК обработку крахмала проводили при плотности потока 18 кВт/ м2 и 30 минутах облучения в прерывистом режиме с продолжительностью вспышки ИК ламп 4 с и отстоем 12 с. Такой режим предотвращает поверхностную карамелизацию крахмала. Толщина слоя крахмала составляла 7 мм. ИК обработанный крахмал имел степень декстринизации 34,4–42,0 мг глюкозы/г сухого вещества, определенную по ГОСТ 29177-91 [5]. Вода питьевая в количестве 7 литров.
Исследование параметров ферментативного гидролиза ИК обработанного крахмала и нативного в патоку крахмальную проводилось на разработанной в СибНИТИП установке РПА (рис. 1).
Рис. 1. Лабораторная установка ферментативного гидролиза крахмала: 1 – емкость рециркуляции; 2 – датчик температуры; 3 – продуктопровод; 4 – затворы; 5 – кавитационная ячейка; 6 – электродвигатель; 7 – слив готовой продукции/или слив в канализацию; 8 – модуль охлаждения сальникового узла; 9 – водоподводящие шланги; 10 – щит управления двигателем; 11 – частотный преобразователь, 12 – амперметр – индикатор питания двигателя; 13 – кабель электропитания, 14 – индикатор скорости вращения двигателя, 15 – теплоизоляция, 16 – расходомер воды и шланг подвода воды
Роторно-импульсные аппараты (РПА) относятся к гидромеханическим преобразователям механической энергии в акустическую, тепловую, что позволяет интенсифицировать гидромеханические и тепломассообменные процессы в нестационарных потоках при обработке гетерогенных сред [6] При прохождении через кавитационную ячейку (поз. 5, рис. 1) происходит схлопывание пузырьков в жидкости с выделением теплоты, в результате чего повышается температура воды и реакционной смеси.
При гидролизе крахмала контролировали следующие параметры: расход энергии, кВт·ч; время обработки, мин; температура, °С.
В ёмкость рециркуляции заливалась вода с рН 4,9 и включался диспергатор. Через 15 минут температура воды достигала 35–37 °С, что служило сигналом для равномерного, порциями, внесения крахмала (нативный или ИК обработанный) в ёмкость рециркуляции. По окончании внесения крахмала, после достижения температуры в смеси 45 °С, вносилась мультиэнзимная композиция МЭК-1, а после достижения температуры в смеси 65 °С вносилась мультиэнзимная композиция МЭК-2. Это соответствует стандартной схеме, когда под действием ферментов происходит стадия желатинизации-клейстеризации и начинается накопление сахаров. Соотношение вода: крахмал (гидромодуль) обычно формируется в пропорции 2,65:1 на основании ранее проведенных в институте исследований [7].
Далее гидродинамическая обработка крахмала в присутствии ферментов осуществлялась путем многократного прохождения через рабочие органы РПА, при этом колебания температуры в пределах 50–65 °С контролировались термодатчиком ДТС 045-50.
Через 100, 160, 220, 280 и 340 минут процесса ферментативного гидролиза (ФГ) крахмала, соответственно динамике изменения температуры этапов процесса: клейстеризация (желатинизация), ожижение, осахаривание – производился отбор проб реакционной смеси для определения содержания общего сахара. Определение содержания сахаров проводилось согласно ГОСТ Р52060-2003 [8] в аналитической лаборатории института.
Контроль энергозатрат на производство патоки осуществлялся электросчетчиком «Меркурий», ГОСТ52322-2005.
Для сравнения аналогичные операции (ФГ) проводились с необлученным (нативным) крахмалом.
Результаты исследования и их обсуждение
В результате исследования установлены значения содержания сахаров в патоке при обработке в РПА нативного (не облученного) и ИК облученного крахмала при идентичных режимах обработки и отбора проб (табл. 1).
Таблица 1
Содержание общего количества сахаров в патоке после ферментативного гидролиза
|
№ п.п. |
Продолжительность обработки, мин Номер пробы |
||||||
|
100 1 |
160 2 |
220 3 |
280 4 |
340 5 |
|||
|
Содержание общего количества сахаров в патоке, % |
|||||||
|
1 (без облучения) |
5,88 ± 0,69 |
12,05 ± 1,42 |
15,61 ± 1,84 |
17,15 ± 2,02 |
17,88 ± 2,11 |
||
|
2 |
8,17 ± 0,96 |
17,91 ± 2,11 |
20,37 ± 2,40 |
22,23 ± 2,62 |
24,83 ± 2,93 |
||
|
3 |
7,19 ± 0,85 |
17,11 ± 2,02 |
19,82 ± 2,34 |
21,84 ± 2,58 |
23,98 ± 2,83 |
||
|
4 |
8,63 ± 1,02 |
16,44 ± 1,94 |
18,83 ± 2,22 |
25,32 ± 2,99 |
26,22 ± 3,09 |
||
|
5 |
8,41 ± 0,99 |
17,25 ± 2,03 |
19,86 ± 2,34 |
24,42 ± 2,88 |
25,14 ± 2,97 |
||
|
6 |
8,75 ± 1,03 |
16,98 ± 2,00 |
20,12 ± 2,37 |
23,91 ± 2,82 |
25,63 ± 3,02 |
||
Примечание. Опыты № 2–6 – эксперименты по гидролизу облученного крахмала.
Анализ полученных данных показал, что после внесения ферментов на стадиях разжижения и осахаривания количество сахаров в реакционной смеси с ИК облученными образцами превалирует, нарастая по мере протекания процесса гидролиза (пробы 2–5 в опытах № 1 и № 2–6). Причем разница в содержании сахаров нарастает по мере прохождения процесса ферментативного гидролиза (рис. 2). Вероятно, это вызвано тем, что молекулы амилозы и амилопектина в результате ИК облучения подверглись предварительной декстринизации, что облегчает прохождение ферментативного гидролиза.
Рис. 2. Динамика изменения содержания сахаров в реакционной смеси при ферментативном гидролизе необлученного (Y0) и ИК облученного (Y1) кукурузного крахмала
Из данных (табл. 1) видно, что максимум сахаров из необлученного крахмала, около 17 %, достигается после 280 минут обработки. Для ИК облученного – близкие к 17 % значения содержания сахаров наблюдаются после 160 мин обработки, нарастая по мере дальнейшей обработки до значений 24–26 %. То есть продолжительность ферментативного гидролиза облученного крахмала в 1,75 раза меньше, чем необлученного.
Динамика процесса ферментативного гидролиза облученного и необлученного крахмалов представлена на рис. 2.
В результате математической обработки экспериментальных данных получены уравнения (1, 2), с высокой степенью достоверности на уровне 5 % описывающие зависимость изменения содержания сахаров от времени прохождения процесса ферментативного гидролиза кукурузного крахмала.
Y0 = –7,6626 + 0,1616t – 0003t2 ;
R2 = 0,9966, (1)
Y1 = –7,2124 + 0,1855t – 0,0003t2;
R2 = 0,9648, (2)
где Y0 – зависимость содержания сахаров от времени обработки для необлученного крахмала;
Y1 – зависимость содержания сахаров от времени обработки для облученного крахмала.
Для оценки энергоэффективности процесса ферментативного гидролиза крахмала приводим данные энергозатрат (табл. 2).
Таблица 2
Затраты электроэнергии (W) в процессе ферментативного гидролиза облученного и необлученного крахмалов
|
Номера проб, № |
Продолжительность обработки, мин |
Варианты |
|||
|
Необлученный крахмал |
Облученный крахмал |
||||
|
Общее к-во сахаров, кг |
Энергозатраты, кВт•ч |
Общее к-во сахаров, кг |
Энергозатраты, кВт•ч |
||
|
1 |
100 |
0,65 |
3,68 |
0,91 |
3,68 |
|
2 |
160 |
1,33 |
5,89 |
1,89 |
5,89 |
|
3 |
220 |
1,72 |
8,10 |
2,18 |
8,10 |
|
4 |
280 |
1,89 |
10,30 |
2,59 |
10,30 |
|
5 |
340 |
1,97 |
12,50 |
2,77 |
12,50 |
Удельные энергозатраты (W/m, кВт•ч/кг) для сравнимых вариантов по одинаковому содержанию сахаров (17 %) в пробах № 2 (облученный крахмал) и № 4 (необлученный) составляют соответственно: 3,12 кВт•ч/кг и 5,45кВт•ч/кг, то есть в 1,75 раза меньше.
Выводы
Полученные данные подтверждают гипотезу об изменении фазовой, морфологической и молекулярной структуры крахмала в процессе физических воздействий электромагнитным полем инфракрасного диапазона волн, приводящим к нарушению кристалличности крахмальных гранул и трансформации амилозы и амилопектина, что облегчает их последующую биоконверсию.
В результате выполнения данной работы научно обосновано повышение эффективности технологии получения патоки из кукурузного крахмала, подвергнутого ИК облучению перед ферментативным гидролизом.
Исследованиями установлено сокращение в 1,75 раза времени и удельных энергозатрат в процессе ферментативного гидролиза при получении патоки из ИК облученного крахмала по сравнению с необлученным, содержащей одинаковое количество сахаров – 17 %. Продолжение процесса гидролиза ИК облученного крахмала ведет к увеличению количества сахаров до 24–26 %, т.е. происходит более полная конверсия крахмала.
Результаты работы могут быть рекомендованы при разработке инновационных технологий получения паток из крахмалов.