Получение модифицированных крахмалов
Для расширения возможностей использования крахмалов в различных отраслях промышленности необходимо производство их с особыми свойствами, отличающимися от обычного пищевого крахмала.
Природные свойства крахмала могут быть изменены в результате физического, химического, биологического или комбинированного воздействия. Крахмалы с измененными свойствами после проведенной обработки называют модифицированными.
Модифицированные крахмалы получают в результате следующих возможных превращений:
- расщепление цепей полисахаридов с сохранением или без сохранения натуральной зернистой структуры крахмала;
- дегидратация полисахаридов с изменением натуральной зернистой структуры;
- образование новых соединений (эфиров) за счет взаимодействия гидроксильных групп крахмала с различными химическими соединениями;
- полимеризация структур полисахарида и других высокомолекулярных соединений с образованием сополимеров.
По характеру изменений в процессе модификации структуры полисахаридов крахмалы подразделяются на две группы: расщепленные, образовавшиеся в результате расщепления полисахаридных цепей, и замещенные как результат присоединения других радикалов или путем совместной полимеризации с другими ВМС.
Р асщепленные крахмалы
Такие модифицированные крахмалы получают путем термического и механического воздействия с использованием при этом различных кислот, окислителей, ферментов, некоторых солей и других добавок, при электронном облучении, обработке ультразвуком, что вызывает деструкцию полисахаридных цепей.
Клейстеры, полученные из расщепленных крахмалов, имеют пониженную вязкость, высокую прозрачность и повышенную стабильность при хранении.
Наиболее простым, часто применяемым способом модификации крахмала, является обработка его соляной или серной кислотой при нагревании ниже температуры клейстеризации (45 – 50 о С). Расход кислоты 1 – 3 % к массе крахмала. При обработке происходит деполимеризация полисахаридных цепей, что сопровождается повышением растворимости крахмала, снижением вязкости клейстера и повышением его прозрачности. Молекулярная масса полисахарида снижается до 45000 – 50000, а редуцирующая способность возрастает в 5 – 12 раз.
Полученные модифицированные крахмалы используются в текстильной промышленности для улучшения качества и повышения прочности тканей, в производстве бумаги с повышенной устойчивостью к износу, в кондитерском производстве для выработки особых сортов сладостей.
К группе расщепленных относятся окисленные модифицированные крахмалы, полученные воздействием на исходный продукт различных окислителей. Для этого используются гипохлориты, перманганаты, перекиси, йодную кислоту и др. Происходит расщепление глюкозидных связей с образованием карбонильных групп, окисление гидроксильных групп в карбонильные и далее в карбоксильные. Степень окисления зависит от расхода реагента и условий проведения процесса. Используется и комбинированное действие минеральной кислоты (HCl, расход 1 – 3 %) и окислителя (перманганат калия, расход 0,15 – 0,20%) на крахмальную суспензию при температуре 40 – 43 о С в течение 40 мин. При такой обработке крахмала получают модифицированный крахмал, который используют в качестве желирующего компонента в производстве кондитерских изделий, а также в качестве стабилизатора мороженого и молочных продуктов.
Желирующая способность окисленного крахмала оценивается по качеству студня из клейстера после охлаждения при температуре 17 – 20 °С в течение 60 мин. Студень должен выниматься из стакана с сохранением формы и иметь плотную и упругую консистенцию.
По своим свойствам окисленные крахмалы родственны крахмалам модифицированным кислотой, но отличаются более низкой вязкостью их клейстеров и стабильностью при хранении.
Подбором условий модифицирования получают крахмалы с заданными свойствами, которые используют в хлебопекарном и кондитерском производствах, выработке высококачественной бумаги и различных тканей с повышенной износостойкостью.
Модифицированные крахмалы, полученные в результате влаготермической обработки, называются набухающими. Они способны набухать в холодной воде и полностью или частично переходить в растворимое состояние. После влаготермической обработки происходит частичное или полное необратимое разрушение структуры крахмальных зерен. Направленное изменение природных свойств крахмалов осуществляется предварительной обработкой продукта химическими реагентами или влаготермической обработкой в присутствии химических соединений (различные кислоты и их соли, щелочи, антисептики и др.).
При производстве набухающего крахмала для бурения в качестве химической добавки используют алюминиево-калиевые квасцы при температуре 40 – 45 о С в течение 15 мин с последующей клейстеризацией. Эти крахмалы применяют в качестве стабилизаторов суспензий глины при бурении скважин добычи нефти и газа.
Набухающие крахмалы для пищевых целей получают при добавлении соответствующей соли фосфорной кислоты, набухающие крахмалы для прачечных – соли борной кислоты.
Замещенные крахмалы
В структуре полисахаридных цепей имеются реакционноактивные гидроксильные и редуцирующие группы, способные при определенных условиях вступать в реакции замещения с органическими и неорганическими соединениями. При этом значительно изменяются природные свойства крахмала и клейстеров из них – повышаются вязкость и стабилизирующее действие, усиливается пленкообразующая способность и др.
При взаимодействии крахмала с фосфатными соединениями (триметафосфат натрия, хлорокись фосфора, тиохлорид фосфора) образуются эфиры, в которых одна или две гидроксильные группы полисахарида этерифицированы кислотными группами фосфорсодержащих соединений.
Для производства монокрахмалфосфатов в суспензию сырого крахмала вводятся реагенты (фосфорнокислый натрий и карбамид в количестве 0,6 – 2,7 % к массе крахмала), тщательно перемешиваются и смесь высушивается в пневматической сушилке.
Образующийся продукт при последующей термической обработке (130 о С в течение 60 мин) превращается в фосфатный крахмал с заданными свойствами. Клейстеры из таких крахмалов устойчивы к замораживанию. Фосфатные крахмалы используются в пищевых отраслях для выработки мучных кондитерских изделий, получения соусов, майонезов, продуктов детского и диетического питания.
В технических целях фосфатные крахмалы применяют при изготовлении форм в литейном производстве, при флотационном обогащении различных руд, для повышения прочности бумаги.
Ацетилированные крахмалы получают путем обработки крахмала ледяной уксусной кислотой, уксусным ангидридом и др.
Образуются ацетаты крахмала, способные стабилизировать клейстеры, получать прочные пленки. Взаимодействие крахмала с реагентом в соотношении 1,0 : (0,25 – 1,0) при температуре 100 о С в течение 5 – 13 ч приводит к образованию ацетата крахмала, содержащего от 3 до 6 % ацетильных групп. Такие крахмалы сохраняют зернистую структуру, растворяются в воде при температуре 95 – 100 о С.
Ацетаты крахмала применяются в пищевых изделиях в качестве загустителей, устойчивых при хранении, замораживании и оттаивании, в производстве консервированных сухих продуктов, смесей и начинок.
В текстильной промышленности эти крахмалы используются для обработки тканей, в производстве бумаги – для повышения ее прочности и улучшения качества печати.
В этих же областях используются оксиалкированные крахмалы, получаемые при взаимодействии сырого крахмала и окиси этилена (пропилена) в щелочной среде при температуре не выше 50 о С в течение 3 – 6 ч.
Производство и применение модифицированных крахмалов в пищевой промышленности открывает новые возможности в расширении ассортимента пищевых продуктов. В других отраслях промышленности модифицированные крахмалы также открывают перспективы получения новых химических соединений и изделий.
Источник
Способ получения модифицированного крахмала
ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ КРАХМАЛОВ
Для различных отраслей промышленности кроме обычного сухого крахмала из картофеля и кукурузы выпускают крахмалы с измененными природными свойствами. Их называют модифицированными. Такие крахмалы получают за счет физических, химических и биохимических воздействий на исходный крахмал. По характеру изменений все модифицированные крахмалы условно делят на две группы: расщепленные крахмалы и замещенные крахмалы, а также сополимеры крахмала.
Расщепленные крахмалы. Группу так называемых расщепленных крахмалов называют еще жидкокипящими, так как клейсте-ры таких крахмалов имеют низкую вязкость. Крахмаль/ этой группы получают путем расщепления полисахаридных цепей кислотой, окислителями, амилазами, некоторыми солями, облучением у-лучами и т. д. В результате указанных воздействий происходит хаотическое или направленное расщепление глюко-зидных и других связей, уменьшается молекулярная масса, возникают внутренние и межмолекулярные связи, появляются новые карбонильные и карбоксильные группы.
Может происходить частичное нарушение структуры зерен крахмала, но зернистая форма крахмала сохраняется. Расщепленные крахмалы находят очень широкое применение. Так, кислотной обработкой получают растворимый крахмал, используемый для химических анализов; крахмал, модифицированный кислотой, используется при проклейке бумаги для улучшения качества печати и увеличения ее прочности; в пищевой промышленности крахмал этого типа используют для приготовления желейных конфет, восточных сладостей и т. д.
Окисленные крахмалы. Получают путем воздействия на крахмал перманганатов, перекисей, йодной кислоты и ее солей и других соединений. В результате происходят гидролитическое расщепление глюкозидных связей с образованием карбо-нильных групп, окисление спиртовых групп в карбонильные,- а затем в карбоксильные. Крахмалы, окисленные йодной кислотой, имеют по две альдегидные группы в глюкозном остатке, подвергнутом действию кислоты, их называют диальдегидными. Такие крахмалы используют в бумажной промышленности, а при низкой степени окисления (до 2 %) — в пищевой. ,
При окислении картофельного или кукурузного крахмала перманганатом калия в кислой среде получают крахмал, используемый в качестве желирующего компонента, как заменитель агара или пектина. Такой крахмал применяют в производстве кондитерских изделий, мороженого, продуктов молочной и гшщекон-центратной, а также текстильной промышленности.
При использовании в качестве окислителя бромата калия, перманганата калия и гипохлорита кальция получают крахмал с невысокой степенью окисления для использования в хлебопечении. Такой крахмал (в количестве 0,5 % к массе муки) улучшает физические свойства теста, его газоудерживающую способность, позволяет сократить время брожения опары, качество хлеба при этом улучшается: увеличивается объемный выход, улучшается структура пористости мякиша, замедляется процесс черствения хлеба. Окисленные крахмалы находят широкое применение в бумажной промышленности для проклейки бумаги; в прачечных — для подкрахмаливания белья, в строительной промышленности — для производства изоляционных материалов. Для получения этих видов крахмалов следует ввести реагент в водную суспензию крахмала определенной плотности, причем температура, при которой идет реакция, должна быть значительно ниже температуры клейстеризации крахмала (28 °С — при модификации крахмала кислотой; 40. 43 °С — при’окислении перманганатом калия и т. д.). Время воздействия реагента меняется в широком диапазоне: так, при кислотной обработке — 19. 20 сут, а при окислительном воздействии для различных окислителей —
15. 40 мин. По окончании реакции суспензию нейтрализуют, разбавляют водой, отделяют жидкую фракцию, а отмытый крахмал обезвоживают и высушивают при 45 °С.
Набухающие крахмалы. К группе набухающих крахмалов относят модифицированные крахмалы, полученные при влаготермической обработке, вызывающей частичное или полное разрушение структуры зерен крахмала. Технология получения набухающих крахмалов состоит в следующем: в суспензию крахмала концентрацией сухих веществ 40. 42 % в зависимости от назначения получаемых крахмалов вводят химические реагенты (алюмокалиевые квасцы, соли фосфорной кислоты, метил-целлюлозу и др.) и выдерживают 15 мин при температуре
40. 45 “С, после чего подают на вальцовые сушилки для клейстеризации и высушивания. Крахмал сушат в тонком слое, пленку срезают ножом с барабана, измельчают, просеивают, а затем
ютовый крахмал фасуют. Набухающие крахмалы используют для стабилизации грунта при бурении, в литейном производстве и т.д. В пищевой промышленности их применяют для стабилизации влаги кондитерских пен (в этом случае химические реагенты для получения набухающих крахмалов не используются), при приготовлении мороженого, пудингов быстрого приготовления, для получения безбелковых продуктов питания — хлеба, макарон и т. д., продуктов диетического назначения.
По своим свойствам к группе набухающих крахмалов относятся экструзионные крахмалы и крахмалопродукты. Однако по методу обработки — это крахмалы, полученные в условиях интенсивной влаготермической обработки при повышенных (до 35 %) влажности и температуре (до 200 °С) и значительном механическом воздействии. В результате зерна крахмала теряют свою первоначальную структуру и свойства, что позволяет получать новые виды продуктов. Экструзионные крахмалы получают на экструзионных установках. В процессе экструзии предварительно увлажненный материал подвергается сжатию, разогреву с клейстериза-цией крахмала и последующему выдавливанию через сопла матрицы. Экструдаты кукурузного крахмала применяют для производства продуктов из мяса, рыбы и т. д. Экструзионные крахмалопродукты широко используются и в технических целях.
Замещенные крахмалы. К группе замещенных крахмалов и сополимеров крахмала относятся крахмалы, свойства которых изменены в результате присоединения химических радикалов или совместной полимеризации с другими высокомолекулярными соединениями. К ним относятся простые и сложные эфиры, сополимеры крахмала.
Получение модифицированных крахмалов, таких, как простые и сложные эфиры и сополимеры крахмала, основано на возможности реакционноспособных групп — концевых редуцирующих групп, спиртовых групп у второго, третьего и шестого углеродных атомов глюкозных остатков — вступать в реакции замещения с различными органическими и неорганическими соединениями.
Фосфатные крахмалы. В настоящее время получают два вида эфиров крахмала и солей фосфорной кислоты — моно-крахмалофосфаты, когда одна гидроксильная группа глюкозного остатка этерифицирована одной из кислотных групп остатка фосфорной кислоты или ее солей, и дикрахмалофосфаты, в которых произошло взаимодействие гидроксилов глюкозных остатков разных цепей с двумя кислотными группами фосфорной кислоты или ее солей.
Для производства фосфатного кукурузного крахмала (моно-крахмалофосфата) сырой кукурузный крахмал после удаления избыточной влаги смешивают с нужным количеством растворов одно- или двузамещенного фосфата натрия и карбамида (мочевины). Полученную смесь сушат в пневматической сушилке,
просеивают и используют как фосфатный крахмал марки А. Свойства этого крахмала проявляются при тепловой обработке и процессе его использования.
Фосфатный крахмал марки Б получают путем термической обработки при перемешивании фосфатного крахмала марки А при 130 °С в течение 60 мин или при 160. 170 °С в течение 30 мин, после чего продукт охлаждают, просеивают и направляют потребителю. Фосфатные крахмалы образуют клейстеры, стабильные к замораживанию, поэтому их используют при производстве продуктов, сохраняемых в замороженном виде.
Фосфатный крахмал марки А используют при производстве мучных кондитерских изделий, крахмал марки Б — для приготовления майонезов, кремов, соусов, продуктов детского и диетического питания.
Ацетилированный крахмал (ацетат крахмала). Представляет собой смесь продуктов, обладающих различными свойствами, его получают путем обработки крахмала ледяной уксусной кислотой. Содержание ацетильных групп колеблется от 3 до 6 % в зависимости от дозировки кислоты и времени обработки. Процесс ацетилирования комбинируют с введением в полисахаридные цепи поперечных связей. Такие крахмалы используют при производстве консервированных, замороженных, сухих продуктов питания, а также в сухих смесях кремов и начинок. Ацетилированные крахмалы применяют в текстильной промышленности и бумажном производстве.
Сополимеры крахмала. Эту разновидность модифицированных или поперечносвязанных крахмалов получают путем образования между двумя рядом стоящими полисахаридными цепочками поперечных связей. Свойства крахмалов резко меняются даже при введении незначительного количества радикалов — повышаются вязкость и стабильность клейстера, снижается растворяемость, усиливается способность образовывать пленку и т. д.
Сополимеры получают путем обработки крахмала с помощью формальдегида, хлорокиси фосфора, эпихлоргидрина или триме-тафосфата натрия (дикрахмалофосфат). После окончания реакции суспензию нейтрализуют кислотой, фильтруют, продукт промывают водой и сушат. Сшитые крахмалы используют в пищевой, бумажной, текстильной промышленности для повышения устойчивости полисахаридных цепей при тепловой или механической обработке.
Источник
