1. 1
Лекція 3
ОЦУКРЮВАННЯ РОЗРІДЖЕНОГО КРОХМАЛЮ
План
1. Характеристика процесу оцукрювання розрідженого крохмалю
2. Проведення процесу оцукрювання крохмалю у виробництві
3. Технології крохмалепродуктів, що засновані на застосуванні
ферментів
1. Характеристика процесу оцукрювання розрідженого крохмалю
Розріджений будь-яким способом крохмаль далі оцукрюють
глюкоамілазою в умовах, які є оптимальними для дії цього ферменту. В перші
години процес оцукрювання відбувається інтенсивно, а далі уповільнюється,
досягаючимаксимальногозначення 98 % через 72 год. Це пояснюється тим, що
глюкоамілаза має спорідненість до високомолекулярного субстрату. Впродовж
гідролізу швидкість реакції зменшується у зв’язку з тим, що зменшується
молекулярна маса полісахаридів гідролізату. Певна частина олігосахаридів
залишається непрогідролізованою навіть після довготривалого оцукрювання.
Таким чином, від ступеню гідролізу крохмалю при розріджуванні
залежить значення глюкозного еквіваленту після оцукрювання. Встановлено,
що чим нижче ГЕ після розріджування, тим краще відбувається оцукрювання
полісахаридів. Тому, при розріджуванні до ГЕ вище за 20 % вміст
редукувальних речовин у кінцевому гідролізаті не перевищує 93-92 % за
рахунок меншої спорідненості глюкоамілази до олігосахаридів, які у великій
кількості утворюються при цьому.
На процес зцукрюванння також має вплив концентрація розрідженого
крохмалю зі збільшенням концентрації вміст редукувальних речовин у
кінцевому гідролізаті знижується. Це обумовлено ресинтезом мальтози та
ізомальтози з глюкози. Ця реакція каталізується всіма відомими препаратами
глюкоамілази.
2. 2
Якість гідролізатів після оцукрювання залежить від багатьох чинників.
Перш за все необхідно звертати увагу на якість крохмалю. Відомо, що при
зцукрюванні крохмалю з вмістом протеїну до 0,75% вміст загального азоту у
гідролізаті знаходиться на однаковому рівні. При більш високому вмісті
протеїну в крохмалі кількість загального азоту у гідролізаті збільшується, що є
небажаним явищем.
Для інтенсифікації процесу оцукрювання разом з глюкоамілазою
використовують -1,6–глюкозидазу(пуллуланазу), фермент, що діє на -1,6 –
глюкозидні зв’язки. При цьому отримують гідролізати на рівні 99 % и
скорочується термін гідролізу.
До цього часу процес оцукрювання проводять у періодично діючих
апаратах великих розмірів. Фермент використовують одноразово. З метою
багатократного використання ферментів пропонуються ультрафільтраційні
установки для видалення глюкоамілази, яку можна використовувати
багаторазово.
Для створення безперервного ферментативного гідролізу крохмалю
процес проводять у реакторі в присутності -амілази та глюкоамілази з
безперервним прокачуванням суміші через ультрафільтраційну установку, в
результаті чого відокремлюється глюкоза, а продукт, що не пройшов через
мембрану повертається у реактор для продовження процесу гідролізу.
Особливо перспективним є використання препаратів глюкоамілази
іммобілізованої на інертному носії (іоніти, ДЕАЕ-целлюлоза, пористе скло).
Такий препарат завантажують у реактор колонного типу, який працює
безперервно протягом місяця, після чого реактор завантажують свіжим
ферментом.
Застосування іммобілізованих ферментів дозволяє не лише створювати
безперервний процес, що керується автоматично, але й знижати собівартість
готової продукції за рахунок зменшення витрат ферменту. За кордоном такі
ферменти використовують у виробництві гранульованої глюкози.
3. 3
2. Проведення процесу оцукрювання крохмалю у виробництві
У промислових умовах оцукрювання крохмалю здійснюють у ємностях
об’ємом 50-100 м3 та більше в залежності від потужності виробництва. При
цьому заповнення та випорожнення ємності складають 8-12 год. Конструкція
ємностіповинна забезпечуватипостійне перемішування продукту. Температура
в процесі оцукрювання повинна бути сталою. Для підтримування сталої
температури продукту ємність повинна мати або змійовик, або кожух для
рециркуляції гарячої води із термостату або теплообмінник для рециркуляції
продукту. Нагрівання води в термостаті здійснюють парою з автоматичним
регулюванням. Щоб уникнути втрат теплоти в навколишнє середовище зовні
ємність ретельно ізолюється.
Розчин ферменту порціями або весь одразу перекачується в збірник, для
доведення рН, звідки суміш гідролізату з ферментом перекачується в ємність
для оцукрювання. Розчин ферменту можна подавати безпосередньо в ємність
для оцукрювання. Необхідно мати на увазі, що розріджений крохмаль –
продукт нестійкий, тому після охолодження до 60С треба швидше добавити в
нього розчин ферменту. Можна всю дозу ферменту додати в першу порцію
розрідженого крохмалю.
Динаміка зміни хімічних показників гідролізату в ході оцукрювання (за
даними виробництва)
Час від початку
ферментації
рН Глюкозний
еквівалент, %
Концентрація,
%СР,
Температура,
С
до
ферментації
4.5-4.7 15-22 38 58-65
8 год 4.5-4.9 - 38.5 58-65
24 год 4.5-4.9 90 - 58-65
72 год 4.5-4.9 94.5 38.5 58-65
перед
фільтруванням
4.5-4.9 94.5 38.5 58-65
Експериментально встановлено, що при зменшенні дозування ферменту
можна отримати гідролізати з таким самим значенням глюкозного еквіваленту,
4. 4
як і при високих дозуваннях ферменту. Але при цьому збільшується тривалість
процесу, як показано нижче.
Доза глюкоамілази,
од. ГлС на 1 г сухого крохмалю
Тривалість процесу,
год
2,75 60
2,50 72
2,25 96
2,00 120
У зв'язку з високою ціною на ферментні препарати доцільно процес
оцукрювання проводити при низьких дозуваннях ферменту. При цьому
необхідні капіталовкладення на виготовлення додаткових ємностей для
оцукрювання окупаються за півроку.
У процесі оцукрювання періодично контролюються показники рН і вміст
сухих речовин. Для контролю за нормальним ходом процесу оцукрювання,
через добу визначають йодну пробу і вміст редукувальних речовин.
Негативна йодна проба (синє або фіолетове забарвлення у фільтраті
гідролізату) свідчить про серйозні відхилення в ході процесу: фермент додали в
недостатній кількості, або показники рН і температури не відповідають
оптимальним значенням. Після приведення в норму показників рН і
температури в ємність для оцукрювання потрібно додати фермент.
Дуже важливо підібрати правильне дозування глюкоамілази на
оцукрювання. При збільшенні дозування максимальне значення глюкозного
еквіваленту досягається швидше. Проте зі збільшенням концентрації ферменту
після досягнення максимуму вміст РР у гідролізаті починає зменшуватись. Це
особливо помітно за високих концентрацій ферменту. Зниження РР обумовлене
також ресинтезом глюкози у ізомальтозу.
Більш ефективним є використання на стадії оцукрювання препаратів
глюкоамілази сумісно з пуллуланазою. Спосіб забезпечує отримання
гідролізатів з ГЕ на рівні 99 %, а також скорочення тривалості гідролізу.
5. 5
До цього часу процес оцукрювання проводиться у періодично діючих
апаратах величезних розмірів. Більш того, ферментний препарат
використовується одноразово. З метою повторного використання ферментів
пропонуються ультрафільтраційні установки для видалення глюкоамілази і її
подальшого використання.
Застосування ферментів для оцукрювання розрідженого крохмалю
дозволяєзменшити забарвленість гідролізатів, підвищити глюкозний еквівалент
і знизити витрати на кристалізацію глюкози. Відомо, що збільшення ГЕ
гідролізатів крохмалю на 1% забезпечує збільшення виходу кристалічної
глюкози на 3%. Крім того, з глюкозних розчинів високої доброякісності
можливе отримання ангідридної глюкози.
Таким чином, розроблення і впровадження ферментативного гідролізу
крохмалю є найбільш перспективним напрямком удосконалення технології
цукристих крохмалепродуктів, про що свідчать роботи багатьох вітчизняних і
закордонних науковців. При ферментативному гідролізі крохмалю у
виробництві глюкози значно підвищується вихід кристалічного продукту,
з’являється можливість отримувати цілий ряд досить чистих продуктів
гідролізу у порошкоподібному або гранульованому вигляді. У крохмале-
патоковому виробництві застосування різних ферментів дозволяє отримувати
патоки з різним складом вуглеводів. Технологія кислотно-ферментативного
гідролізу крохмалю впроваджена на ВАТ „Дніпровський крохмалепатоковий
комбінат” у виробництві глюкози. Застосування ферментів на першій стадії
гідролізу – для розріджування крохмалю – дозволить підвищити вихід глюкози,
чистоту цукристих сиропів та урізноманітнити їх склад. Тому, актуальним є
дослідження та наукове обґрунтування першого етапу гідролізу крохмалю –
розріджування за допомогою ферментних препаратів.
Процес оцукрювання вважається закінченим, коли досягається
необхідний глюкозний еквівалент. Наприкінці процесу вміст редукувальних
речовин, визначається через кожні 8 год.
6. 6
Виправлення порушень у процесі оцукрювання
Характер
відхилення
Можлива причина
виникнення
відхилення
Засіб впливу
Порушення
температур-
ного
режиму.
Відсутність контролю. Доведення температури гідролізату до
необхідного рівня циркуляцією його через
теплообмінник
Повільне
зростання
глюкозного
еквіваленту.
1.Недостатня
кількість ферменту.
2.Низька
глюкоамілазна
активність ферменту.
3.Не витримування
оптимальних умов дії
ферменту.
1.Додавання ферменту із розрахунку за
його активністю
2.Перевірка активності ферменту.
3.Доведення умов до необхідного
оптимального рівня.
Зниження
рН
Інфікування
гідролізату.
Пропарювання ферментера після кожного
робочого циклу протягом 1.5-2 год.
Додавання кальцинованої соди Na2CO3
(для підвищення рН).
3. Технології крохмалепродуктів, що засновані на застосуванні
ферментів
Крім глюкози, гідролізати крохмалю містять мальтозу, три- та
тетрасахариди, декстрини різної молекулярної маси. Властивості готового
продукту залежать від співвідношення цих груп вуглеводів. З використанням
ферментів, як каталізаторів гідролізу крохмалю, можливе регулювання
співвідношення вказаних груп вуглеводів та зміна їх властивостей у
відповідності до вимог споживача.
Низькозцукрену патоку (ГЕ 30-34 % ) можна отримати за допомогою -
амілази. Гідроліз здійснюють у дві стадії: спочатку розріджування за високих
температур до ГЕ 3 %, потім декстринізація до бажаного ГЕ патоки. Реакцію
зупиняють підкисленням суспензії до рН 4,0. Отриманий гідролізат добре
фільтрується (з використанням звичайного фільтраційного обладнання) завдяки
низькому вмісту високомолекулярних лінійних полімерів крохмалю, які
зумовлюють ретроградацію.
7. 7
Цей вид патоки має низьку солодкість, м’який смак, негігроскопічна та
використовується у виробництві аерованих кондитерських виробів, карамелі,
морозива, фруктових порошків.
Високозцукрена патока з ГЕ 60 % широко використовується в
кондитерському, хлібопекарському виробництві та у пивоварінні. Вона має
високу зброджувальну здатність, гігроскопічність, солодкість, консервуючу
дію, підвищує осмотичний тиск, знижує температуру замерзання.
Високозцукрена патока також застосовується як стабілізатор емульсій та пін і
як наповнювач та підсолоджувач.
У виробництві високозцукреної патоки широко використовується
комбінований гідроліз з використанням кислоти та ферментів, або
ферментативний гідроліз у дві стадії.
З метою зменшення кількості глюкози у високозцукреній патоці, яка
може викристалізовуватись при зберіганні, для гідролізу використовують
грибну -амілазу (від 0,002 до 0,2 % до маси крохмалю). -амілаза грибного
походження продукує велику кількість олігосахаридів, до яких глюкоамілаза
має меншу спорідненість. Тому, внаслідок гідролізу утворюється менше
глюкози. Оцукрювання може здійснюватися комбінованим використанням
глюкоамілази та β-амілази (солод - у якості джерела β-амілази). Така патока має
високий ГЕ (68–75 %) та високу зброджувальну здатність.
Патока з високим вмістом мальтози має більш солодкий смак ніж
карамельна патока, низьку вязкість та є стійкою до зберігання. Завдяки
низькому вмісту глюкози (менше 10%) вона, як і низькозцукрена патока,
підходить для виготовлення карамелі в звязку з тим, що менше схильна до
потемніння в процесі варки її з сахарозою за високих значень рН. Ця патока
дуже малогігроскопічна. Вона перешкоджає кристалізації сахарози у карамелі
та морозиві. Завдяки високій зброджувальній здатності і солодкості мальтозна
патока широко використовується у пивоварінні для часткової заміни дорогого
солоду, виключення з рецептури цукру та зернових домішок, які додають для
надання відповідного смаку пиву.
8. 8
Раніше мальтозну патоку отримували з використанням для гідролізу
крохмалю або крохмалевмісної сировини ячмінного солоду, до складу
ферментів якого входить мальтозоутворюючий фермент -амілаза.
Проте, цей метод потребує значної кількості високоякісного ячменю, для
пророщування якого потрібні великі виробничі площі. Витрати солоду
складають 7-10 % до маси переробленої сировини. Склад мальтозної патоки,
отриманої за допомогою солоду, у %: глюкози – 1315; мальтози – 3540;
декстринів – 4550. Зброджуваність цієї патоки 60–70 %. Високий вміст білку,
що переходить із солоду знижає якість патоки та обмежує коло споживачів.
Використання ферментів для гідролізу крохмалю дозволяє покращити якість
мальтозної патоки. Розріджування здійснюють кислотою або ферментом до ГЕ
15–20 %, аналогічно виробництву низькозцукреної патоки. Ферментативне
оцукрювання проводиться за температури 55 С препаратами -амілази у
кількості 0,01–0,03 % до маси сухого крохмалю. Тривалість процесу 2040
год. в залежності від дозування ферменту -амілази.
Склад мальтозної патоки за умов подвійного ферментативного гідролізу
крохмалю, %: редукувальних речовин – 44,7; глюкози – 6,8; мальтози – 61,1;
мальтотриози та вищих сахаридів – 32,4.
Для отримання продуктів з вмістом мальтози 90 % та більше, ГЕ після
розріджування має бути як найнижчим (0,5–5 %). Вязкість продукту при цьому
висока, тому охолодження та змішування з ферментом відбувається у 2 або 3
ступені з рециркуляцією високозцукреного сиропу. Оцукрювання здійснюють в
2 етапи – спочатку знижують вязкість термостабільною -1,6-глюкозидазою та
-амілазою, а потім знову додають ферменти і процес продовжується кілька
діб. Мальтозні патоки з вмістом мальтози 90 % і більше використовують для
виробництва кристалічної мальтози.
На основі аналізу літературних джерел, нами встановлено необхідність
проведення досліджень по удосконаленню та розробленню технології
мальтодекстринів з низьким глюкозним еквівалентом та їх застосуванню в
різних харчових продуктах.
