1. проф. Грабовська Олена В’ячеславівна
2017
Лекція 13
ОСНОВИ ТЕХНОЛОГІЇ
ГЛЮКОЗНО-ФРУКТОЗНИХ
СИРОПІВ
2. • Глюкозно-фруктозні сиропи (ГФС) є
перспективними натуральними
цукрозамінниками вуглеводної природи.
• Сировиною для виробництва ГФС є
крохмаль, який отримують із кукурудзи
пшениці, рису, ячменю, сорго, картоплі.
• Найбільш вигідною сировиною є
кукурудза.
3. • ГФС із крохмалю одержують з 1968 року.
• У 1957 р. Р.Маршалл і Н.Коуі відкрили
фермент - ксилозоізомераза
• У 1960 р. було відкрито процес
ферментативної ізомеризації глюкози у
фруктозу
4. • Випускають ГФС під торговими назвами:
«Isomerase”, “Iso-syrup”, “Corn-sweet”,
“HFCS” - High Fructose Corn Syrup,
“Amerose”, “Purtose” та ін.
5. • Останнім часом у світі спостерігається
стійка тенденція до збільшення обсягів
виробництва ГФС.
• Основним виробником ГФС із кукурудзи є
США (щорічно понад 3,5 мільйони тонн).
• На США припадає 60% світового
виробництва ГФС
• У США попит на ГФС слабшав протягом
другої половини минулого десятиліття .
6.
7. • Друге і третє місця після США за обсягом
виробництва ГФС посідають Канада та
Японія. У Японії понад 30% цукру замінено
на ГФС.
• У Європі найбільшими виробниками-
експортерами ГФС є Бельгія, Німеччина та
Нідерланди.
• У світі налічується понад 100 підприємств з
виробництва ГФС, 59 з них знаходиться в
Азії, з них 50 в Японії.
8. Значення та властивості глюкозно-
фруктозних сиропів
• ГФС за солодкістю та харчовою цінністю
не поступається цукру.
• Перевагою виробництва ГФС є те, що воно
не обмежується періодом збору врожаю, а
триває протягом року.
• Сироп легко перекачується.
• Не виникає труднощів з автоматизацією
процесу дозування ГФС.
9. • ГФС – високоякісний рідкий натуральний
замінник цукру. При використанні в їжу він не
викликає різких коливань рівня глюкози в
крові, позитивно впливає на обмін вуглеводів,
добре засвоюється організмом.
• ГФС застосовують для дієтичного харчування
хворих з порушеннями вуглеводного обміну,
рекомендовані хворим на цукровий діабет,
ожиріння, атеросклероз, а також людям, які
відчувають великі розумові та фізичні
навантаження.
10. • Світовий досвід доводить , що ГФС може замінити
цукор у виробництві:
• кондитерських виробів – на 20%;
• хлібобулочних виробів, плодоовочевих консервів,
безалкогольних напоїв, вин, згущеного молока – на
100%;
• морозива на 50%.
• Високий осмотичний тиск ГФС зумовлює
проникнення глюкози і фруктози в тканини продуктів
при консервуванні. При цьому зберігається аромат і
смак, а також виключається закристалізовування
продуктів.
11. Склад глюкозно-фруктозних сиропів
Показник
ТИПИ ГФС
І
ГФС-
42
ІІ
ГФС-55
ІІІ
ГФС-90
Масова частка сухих речовин,
%
71 75…78 77
Масова частка фруктози, % 42…43 55 90
Масова частка глюкози, % 50…52 40…42 7
Масова частка олігосахаридів,
%
2…8 5 3
рН середовища 4,2…4,5 3…4 3…4
Сахарозний еквівалент (SES) 1,0 1,0 1,4...1,6
12. • Способи одержання ГФС базуються на
трьох основних процесах:
• розріджування крохмалю;
• зцукрювання полісахаридів до глюкози;
• ізомеризація глюкози у фруктозу.
14. • За умов хімічної рівноваги неможливо
ізомерізувати у фруктозу більше ніж 50 %
глюкози, що знаходиться у розчині.
• Проте навіть для досягнення такої
рівноваги, потрібен тривалий час тому на
практиці процес закінчують, якщо у
фруктозу перетворюється 45 % глюкози.
• Якщо вміст глюкози в сиропі складає 95 %
до маси СР то при ступеню ізомеризації 45%
вміст фруктози у сиропі буде складати 42 %
15. ↓
Розріджування
ГЕ=18-22 %
← α-амілаза
↓
Доведення рН до 5,2-5,5 ← Розчин HCl або NaOH
↓
Зцукрювання
72 год., ГЕ=96-98%
← Глюкоамілаза
↓
Інактивація ферменту ← пара
↓
Жиро-білкові домішки ←
Фільтрування рідких сиропів
← Фільтрувальний
порошок
↓
Адсорбційне очищення
← Відпрацьоване активне
вугілля
↓
Відпрацьоване вугілля у
корм
← Фільтрування
↓
Іонообмінне очищення
↓
Випарювання сиропів
40-45 % СР
↓
Підготовка до ізомерізації
рН=7-8,5
← NaOH, NaHSO3
MgSO4⋅7 H2O
↓
Ізомеризація
42 % фруктози
← Глюкозоізомераза
↓
Іонообмінне очищення
↓
Адсорбційне очищення ← Активне вугілля
↓
Відпрацьоване вугілля ← Фільтрування
↓
Уварювання густих сиропів
СР=71%
↓
Охолодження густого сиропу
↓
Глюкозно-фруктозний сироп
16. Характеристика основних процесів
виробництва
•Велике значення має зведення до мінімуму вмісту
домішок у крохмалі.
•З підвищенням вмісту білка у крохмалі різко
зростають витрати на очищення гідролізатів перед
ізомеризацією.
•Рекомендується використовувати кукурудзяний
крохмаль, вміст білка в якому не перевищує 0,4 %, а
розчинного білка – не більше 0,05 %.
17. Гідроліз крохмалю
• Для отримання ГФС застосовують гідроліз
крохмалю за схемою фермент-фермент
оскільки отримані гідролізати мають
містити не менше 96–97 % глюкози.
• Підвищення вмісту глюкози в субстраті
обумовлює економію ферменту
глюкозоізомерази.
19. Ферментативне розріджування крохмалю
• Для ферментативного розріджування крохмалю
застосовують фермент α-амілазу.
• α-амілаза –каталізує гідроліз α-1,4-глюкозидних
зв’язків внутрішніх лінійних ланцюгів у крохмалі
з утворенням низькомолекулярних розгалужених
олігосахаридів
• До складу активного центру ферменту входить
кальцій. Повне видалення кальцію призводить до
інактивації ферменту.
• Клейстеризований крохмаль гідролізується α-
амілазою з утворенням продуктів, що не
забарвлюються йодом (низькомолекулярних
декстринів)
20. • Технологічні умови ферментативного розріджування
• В 30-35% суспензію крохмалю додають розчин гідроксиду
кальцію для доведення показника рН до 6…6.5 і
стабілізації α-амілази;
• додають розчин термостабільної бактеріальної α- амілази;
• суспензію крохмалю з ферментом спочатку підігрівають
до 105-1100
С, витримують 5…10 хвилин, потім
охолоджують до 850
С і витримують 60…120 хвилин до
повного розріджування;
• кінцеве значення ГЕ після розріджування 18-22 %
21. Для цього способу розріджування може застосовуватись
обладнання теж саме, що і для кислотно-ферментативного
способу
22. Ферментативне зцукрювання полісахаридів до
глюкози
• Для зцукрювання крохмалю використовують
глюкоамілазу
• Всі глюкоамілази є водорозчинними білками, багато
з яких містять вуглеводи.
• Глюкоамілаза атакує олігосахариди, починаючи від
нередукувального кінця молекули, послідовно
розщеплюючи α-1-4-, α-1-6- і α-1-3-глікозидні
зв‘язки.
• Єдиним продуктом гідролізу на усіх стадіях є β-D-
глюкоза
23. • Для промислового виробництва ГФС застосовують
фермент пуллуланазу (α-1-6-глюкозидазу), яка діє
на α-1-6-зв’язки і руйнує розгалуження у
молекулах. Використовуючи її, збільшують вихід
глюкози на 0,5...1,5%.
• В промислових умовах процес ферментативного
зцукрювання здійснюється в періодично діючих
реакторах об’ємом 50…100 м3
при перемішуванні
(50-70 об/хв) за умови підтримки температури на
рівні 50-55 °С протягом 72 годин
24. Очищення сиропу
• 1. Фільтрування для видалення залишків білку та
жиру;
• 2. Адсорбційне очищення активним вугіллям для
видалення амінокислот, продуктів розкладання
типу гідроксиметилфурфурола та барвних речовин;
загальні витрати активного вугілля 10-15 кг на т
сиропу
• 3. Іонообмінне очищення для видалення іонів
мінеральних речовин (Са2+
, Mg2+
, Na+
, К+
, PО3
4-
, SO2-
4та
ін.), барвних речовин, амінокислот.
25. • Для іонообмінного очищення застосовуються
реактори об’ємом 4,5-5,0 м3
. Як правило, ємність
аніонообмінної колони на 30 % вище.
• Іонообмінна установка складається з трьох
катіоно- і трьох аніонообмінників.
• Двостадійне очищення субстрату здійснюється за
схемою: K1>A1>K2>A2
27. Станція ізомеризації
• На сьогодні, використовуються іммобілізовані препарати,
у яких фермент закріплений на твердій основі.
28. • На процес ізомеризації впливає температура,
значення рН субстрату, домішки, стабілізатори,
густина субстрату, продуктивність ферменту.
• З підвищенням температури зростає активність
ферменту, однак зростає і забарвленість
субстрату, що викликано розкладанням
моносахаридів у лужному середовищі реакції
ізомеризації.
• Тому оптимальною обрана температура 55-57 °C.
Оптимум дії ферменту глюкозоізомерази
рН 7,5-7,8.
29. • З метою запобігання інфікування в процесі
ферментативної ізомеризації, а також для
зниження забарвленості в субстрат додають
бісульфіт Na.
• Показник рН доводять додаванням розчину NaOH.
• Інгібітори глюкозоізомерази − кисень, іони
кальцію, міді, нікелю, цинку і деякі інші домішки.
• Перед використанням препарати іммобілізованої
глюкозоізомерази замочують у глюкозному сиропі
з температурою приблизно 35°C, у який додана
сіль MgSО4⋅7H2O
30. • Сироп подається зверху, проходить під
деяким тиском через шар глюкозоізомерази
і виходить з кожної колони окремо.
Швидкість подачі сиропу на колони
вибирається таким чином, щоб забезпечити
необхідний ступінь ізомеризації глюкози.
Звичайний зміст фруктози в сиропі складає
42 % на СР.
31. Фермент глюкозоізомераза
• Період напівжиття - тобто час, протягом якого
активність ферменту знижується наполовину. При
цьому фермент використовується 2,5-3 періоди
напівжиття, тобто знижується активність до 10-I5% від
початкової.
• Продуктивність - визначається як кількість кг
глюкози (на абс. СР) ізомеризованої 1 кг чи 1 л
ферментного препарату при багаторазовому його
використанні до 42 %-го вмісту фруктози.
• Препарати II покоління характеризуються періодом
напівжиття 83 доби і продуктивністю 4000 − 6000 кг
глюкози і більше на 1 кг ферменту.
32. • У зв'язку зі вмістом термолабільної
фруктози ізомеризат відрізняється низькою
термостійкістю.
• Тому, в сироп після ферментативної
ізомеризації необхідно відразу додати
соляну кислоту для доведення рН до 4,5.
• Встановлено, що найбільшу термостійкість
має продукт, очищений іонообмінними
смолами з наступним знебарвленням
активним вугіллям.
33. • Основне призначення станції іонообміну 2
– видалити із сиропу домішки, додані перед
ізомеризацією і домішки, що утворилися в
процесі ізомеризації – барвні речовини та
інші органічні сполуки.
• Після адсорбційного очищення сироп
надходить на концентрування у випарній
установці до 7I…72 % CР.
34. • Глюкозно-фруктозний сироп може
зберігатися довгий час при температурі 25-
30°C.
• При температурах нижче 25 °C починається
кристалізація глюкози (при CР=70%
насичення має місце при 27 °C).
• При температурах вище 30°C з часом
наростає забарвленість у зв'язку з
термічним розкладанням моносахаридів, а
також їх взаємодією з амінокислотами.
35. • Високофруктозні сиропи одержують в
основному шляхом хроматографічного
розділення звичайного ГФС-42 на фруктозу
і глюкозу в спеціальних хроматографічних
колонах, де в якості адсорбенту
застосовують іонообмінні смоли в Са-
формі
• Маючи спорідненість до адсорбенту,
фруктоза затримується на смолі. Глюкоза
проходить з великою швидкістю через шар
адсорбенту
36. • При наступному елююванні десорбентом
(водою) одержують збагачену фруктозну
фракцію, що містить до 90 % фруктози.
• Глюкозна фракція повертається на
ізомеризацію,
• фруктозна фракція після очищення
спеціальними іонообмінним смолами
змішується з вихідним глюкозно-
фруктозним сиропом (ГФС-42).
• При цьому одержують сироп із вмістом
фруктози 55 %
