Лекция 19
Крахмальная патока – это продукт неполного гидролиза крахмала разбав-ленными кислотами или амилолитическими ферментами. Патока представляет собой бесцветную или слегка желтоватую жидкость, очень вязкую, со сладким вкусом. Сладость ее в 3¸4 раза ниже сладости сахарозы. В зависимости от степе-ни гидролиза крахмала патока содержит различное количество глюкозы, маль-тозы и декстринов. В этом заключается специфичность ее использования в качестве дополнительного сырья при получении отдельных видов пищевой про-дукции. Патока используется в качестве антикристаллизатора при получении карамели, варке варенья, фруктовых сиропов, повидла, а также для загущения ликеров, подслащивания безалкогольных напитков и улучшения качества хлебо-булочных изделий. В зависимости от назначения крахмальную патоку выраба-тывают в трех видах: карамельную (К), карамельную низкоосахаренную (КН) и глюкозную высокоосахаренную (ГВ). Карамельная патока выпускается двух сортов: высшего (KB) и первого (KI). Особое место занимает мальтозная патока, содержащая не менее 65% редуцирующих веществ в пересчете на мальтозу. Патока классифицируется в зависимости от ее углеводного состава, который определяют по общему содержанию редуцирующих веществ. Условно выражен-ная в глюкозных единицах, эта величина отражает суммарное содержание всех сахаров в сухом веществе патоки. Содержание редуцирующих веществ, выра-женное в процентах от сухого вещества, в карамельной патоке находится в пре-делах 38÷44, в низкоосахаренной – 30÷34, в глюкозной – 44÷60. При повышен-ном содержании редуцирующих веществ патока теряет антикристаллизационные свойства. Поэтому глюкозная высокоосахаренная патока применяется как саха-ристое вещество при производстве варенья, фруктовых консервов, хлебобулоч-ных изделий и т. д. Технологическая схема получения патоки включает в себя следующие стадии производства: подготовка крахмала к гидролизу, гидролиз крахмала, нейтрализация гидролизатов, фильтрование сиропов, обесцвечивание фильтрованных сиропов адсорбентами, уваривание жидких сиропов до густых, уваривание густых сиропов до патоки, охлаждение патоки.
Подготовка крахмала к гидролизу. Сырье, поступающее на производство патоки, должно содержать минимальное количество примесей, так как они отри-цательно влияют на ход технологического процесса и качество патоки. Обычно перерабатывается крахмал, поступающий с различных предприятий, поэтому его подвергают очистке по такой же технологической схеме, что и при выработке сухого крахмала.
Гидролиз крахмала. Первой технологической операцией производства патоки является гидролиз крахмала. Его проводят в присутствии катализатора кислотным, кислотно-ферментативным или ферментативным способами. Про-цесс гидролиза включает стадии клейстеризации крахмала, разжижения крах-мального клейстера и его осахаривание. Клейстеризация начинается с ослабления и разрыва связей между макромолекулами амилозы и амилопектина, нарушения структуры крахмальных зерен и образования гомогенной массы с высокой вяз-костью. Под действием катализатора длинные цепочки молекул крахмала разры-ваются. При этом образуются продукты с различной молекулярной массой, вязкость клейстера снижается - происходит его разжижение, идет дальнейший разрыв молекул крахмала вплоть до глюкозы.
Кислотный гидролиз крахмала. Кислотный гидролиз крахмала проводится в конверторах периодического действия или осахаривателях. Процесс осахари-вания крахмала длится несколько минут. Контроль за процессом осуществляют по окраске отбираемых проб с йодом. Так как осахаривание крахмала в конвер-торе осуществляется периодическим способом, неизбежны колебания содержа-ния редуцирующих веществ в патоке, повышенный расход пара и т. д. Для устранения этих недостатков и интенсификации производства гидролиз ведут в аппаратах непрерывного действия.
Получаемые гидролизаты имеют невысокое качество из-за присутствия в них продуктов реверсии и термического кислотного разложения углеводов, продуктов разрушения белковых примесей крахмала под действием кислоты и высокой температуры процесса, а также минеральных примесей, которые обра-зуются при нейтрализации кислоты после гидролиза.
Достичь наиболее полного осахаривания крахмала кислотным гидролизом не удается. Поэтому для проведения гидролиза крахмала на любой его стадии целесообразно использовать ферменты. Благодаря направленности и специфич-ности действия ферментов можно вырабатывать патоку с различным составом углеводов. Гидролизаты имеют высокое качество, низкую цветность, так как ферментативный гидролиз идет при значительно более низких температурах и значениях рН, близких к нейтральным. Глюкозный эквивалент (ГЭ) может дос-тигать 98%, что значительно повышает выход кристаллического продукта в производстве глюкозы.
Кислотно-ферментативный гидролиз крахмала проводят для устране-ния недостатков кислотного разжижения. Суспензию крахмала подкисляют соляной кислотой до рН 1,8¸2,5 и подают в непрерывно действующий осаха-риватель, где нагревают до температуры 140°С в течение 5 мин, после чего кис-лоту нейтрализуют раствором кальцинированной соды до рН 6,0¸6,5. Продукт практически мгновенно охлаждают в циклоне-испарителе до температуры 85°С и немедленно, во избежание ретроградации крахмала, добавляют раствор a-ами-лазы. В качестве разжижающего вещества используют ферментный препарат амилосубтилин Г20х с оптимумом действия при температуре 85°С и рН 6,2¸6,5. Гидролиз длится в течение 30 мин, после чего полученный гидролизат имеет 10¸13% ГЭ и хорошие фильтрационные свойства. Осахаривание его проводят также с использованием ферментов.
В настоящее время в крахмалопаточной промышленности для осахари-вания гидролизатов применяют порошкообразные ферментные препараты очи-щенной глюкоамилазы: глюконигрин Г20х - при производстве кристаллической глюкозы, глюкоаваморин Г20х - при производстве крахмальных паток и глю-козного концентрата. Осахаривание ведут при температуре 60°С и рН, опти-мальном для действия фермента, до необходимого глюкозного эквивалента. Фермент инактивируют нагреванием продукта при 80°С в течение 20 мин.
Ферментативный гидролиз крахмала. При использовании ферментатив-ного разжижения крахмала в 30¸35%-ную суспензию крахмала вводят раствор кальцинированной соды до рН 6,0¸6,5, раствор бактериальной a-амилазы (фер-ментного препарата амилосубтилина Г10х) и ее стабилизаторов СаО или Са(ОН)з. Смесь подогревают острым паром до 85°С и выдерживают при этой температуре 1,5 ч, после чего подогревают до 140°С в течение 5 мин для улуч-шения фильтрационных свойств. Температуру разжиженного крахмала быстро снижают до 60°С и ведут осахаривание амилоглюкозидазой в условиях, опти-мальных для ее действия, до достижения требуемого глюкозного эквивалента.
Кислотно-ферментативный и ферментативный гидролиз крахмала исполь-зуют при производстве низкоосахаренной (с содержанием редуцирующих ве-ществ не более 32% от массы сухого вещества), высокоосахаренной (63¸67%), мальтозной и декстриномальтозной видов крахмальных паток.
Нейтрализация гидролизатов. Если гидролиз крахмала проводился с помощью кислоты, необходимо провести нейтрализацию гидролизатов. Цель нейтрализации - прекращение гидролиза крахмала по достижении заданной сте-пени осахаривания, перевод свободных минеральных кислот, недопустимых в пищевых продуктах, в безвредные соли и создание оптимальных условий для последующей очистки сиропов от примесей. Оптимальная величина рН сиропа обеспечивает устойчивость глюкозы, коагуляцию белков и наилучшие условия обесцвечивания сиропов углями. Нейтрализованный сироп не должен иметь рН ниже 4,5¸4,9. Гидролизаты, осахаренные с помощью соляной кислоты, нейтрализуют только содой.
Поваренная соль, которая образуется в нейтрализованном сиропе в коли-честве 0,23¸0,25% (от массы сухих веществ сиропа), не влияет на вкус патоки и не ухудшает ее качества.
Нейтрализацию проводят очень осторожно, интенсивно перемешивая, что-бы не допустить даже местного перещелачивания. В противном случае глюкоза разлагается с образованием окрашенных продуктов, а карбонат натрия легко вступает в реакцию с кислыми фосфатами, переводя их в средние, что ведет к потемнению и помутнению патоки при хранении.
Процесс ведут в специальных нейтрализаторах периодическим или неп-рерывным способом. Конструкция аппарата должна обеспечивать быстрое смешивание соды с кислотой и улавливание капель сиропа из отходящих паров.
Подготовка сиропов к фильтрованию. Промышленные гидролизаты па-точного производства содержат 0,9¸1,9% взвешенных частиц. Основную массу нерастворимых примесей составляет белок (0,3¸1%), который под действием кислоты и высокой температуры полностью денатурируется и подвергается пептизации.
В процессе осахаривания кукурузного крахмала высвобождаются жир и жирные кислоты (0,2¸0,4% от массы сухих веществ). Часть нерастворимых при-месей составляет мезга, которая находится в крахмале. Все эти примеси удаляют фильтрованием гидролизатов. Чтобы облегчить процесс фильтрования, некото-рую часть примесей предварительно выделяют путем отстаивания сиропов в спе-циальных отстойниках-скиммерах или обработкой их на тарельчатых сепара-торах с периодической или непрерывной выгрузкой осадка.
Фильтрование сиропов. Для более полного выделения взвесей гидролизат фильтруют. Осадки в основном состоят из скоагулированных хлопьев белка, легко сжимаемых и труднопроницаемых, поэтому для облегчения фильтрования к сиропу добавляют пористый наполнитель (перлит, диатомит). На большинстве предприятий гидролизаты фильтруют на вакуум-фильтрах или автоматических фильтр-прессах. Фильтрование проводят при температуре гидролизатов 75¸80°С. При этом давление может достигать 0,3¸0,5 МПа.
Обесцвечивание фильтрованных сиропов адсорбентами. После фильтрова-ния паточные сиропы превращаются в прозрачные жидкости желтого цвета. Интенсивность их окраски зависит от чистоты перерабатываемого крахмала, спо- соба проведения гидролиза и условий нейтрализации. К красящим веществам паточного сиропа относятся продукты гидролиза белков, разложения углеводов, а также продукты реакции меланоидинообразования и др. Наряду с красящими веществами в сиропе присутствуют кислые фосфаты, обусловливающие кислот-ность патоки, некоторые минеральные вещества, растворимые белки, органичес-кие кислоты и другие вещества.
Цель очистки паточного сиропа адсорбентами - полное его обесцвечи-вание, устранение запаха и удаление примесей. В качестве адсорбентов на паточ-ных заводах применяют активированный уголь, который удаляет из раствора красящие и минеральные вещества, коллоидные и азотистые вещества, жир и жирные кислоты. После выделения взвешенных частиц гидролизаты однократно обрабатывают углем в специальных реакторах. Порошкообразный активирован-ный уголь используют в виде водной суспензии 25%-ной концентрации. Ее вво-дят непосредственно в сироп, температура которого составляет 65¸70°С, и пос-тоянно перемешивают в течение 20¸30 мин. После обработки адсорбент удаляют фильтрованием. Сиропы также обесцвечивают, пропуская их через слой угля, нанесенного на фильтрующую перегородку. Фильтрование ведут при давлении 0,5¸0,8 МПа. Кроме того, сиропы можно очищать гранулированными углями в непрерывно действующих колоннах. Отработанный гранулированный уголь подвергают регенерации. Активированный уголь, применяемый в крахмалопа-точной промышленности, должен иметь рН водной вытяжки в пределах 4¸6. Применение щелочных углей значительно снижает эффект обесцвечивания, поэтому их предварительно обрабатывают кислотой.
Уваривание жидких сиропов до густых. Для получения густого сиропа с оптимальной цветностью и для экономии расхода теплоты сгущение сиропа от жидкого (с концентрацией 35¸40%) до густого (55¸57%) осуществляют в много-корпусных выпарных аппаратах под разрежением. На паточных заводах работают вакуум-выпарные аппараты различных конструкций, но наиболь-шее распространение получили вертикальные выпарные аппараты, как пра-вило, трехкорпусные. Перед первым корпусом сироп подогревают до 97°С. Температура кипения сиропа в этом корпусе составляет 100°С, соответственно во втором корпусе - 86°С, в третьем - 67,7°С.
Уваривание густых сиропов до патоки. Очищенный густой сироп с кон-центрацией сухих веществ 55¸57% уваривают в вакуум-аппаратах до патоки с содержанием сухих веществ не менее 78%. Для получения патоки высокого качества процесс уваривания ведут при температуре не выше 60°С. Продол-жительность процесса уваривания должна быть минимальной (50¸55 мин).
Охлаждениепатоки. Патока, выходящая из вакуум-аппарата, имеет температуру 60¸70°С. Так как это вязкий продукт, то естественное охлаждение идет очень медленно при быстром нарастании цветности за счет образования кра-сящих веществ. Чтобы избежать этого, стремятся быстро (в течение 40¸80 мин) охладить ее до температуры 40¸45°С. Для этой цели используют змеевиковый теплообменник. В центре теплообменника находятся циркуляционная труба и мешалка. Резервуар имеет коническое днище и крышку. Холодная вода поступает через воронки отдельно в каждый змеевик, а отработавшая вода отводится через общую воронку. Горячая патока, проходя между трубами змеевиков, охлаждается и самотеком выходит в сборник. Затем патоку фасуют и хранят.