Получение кристаллической глюкозы из крахмала

     Введение 

     Кристаллическая глюкоза является продуктам осахаривания крахмала соляной кислотой. Товарная кристаллическая глюкоза, выпускаемая  промышленностью, содержит от 8 до 9,1% влаги. Содержащаяся в глюкозе влага  связана с кристаллами называется кристаллизационной водой. При высушивании глюкозы удаляется поверхностная влага и остается кристаллизационная.

     Сладость  глюкозы равна 50-60% сладости свекловичного  сахара, а поэтому она не применяется  для подслащивания чая и кофе. При производстве некоторых изделий это имеет свои преимущества, так как, обладая нежным сладким вкусом, глюкоза не маскирует аромат фруктовых соков и напитков. Поэтому она находит широкое применение в производстве мороженого, сгущенного молока, фруктовых консервов, бисквитов, в хлебопечении и кулинарии.

     Однако  из-за крайне небольшого объема производства глюкоза в России применяется  лишь в медицинской промышленности, в производстве витамина С и в  небольшом количестве в пищевой  промышленности.

     В США около 350 тыс. т глюкозы используется в основном при производстве пищевых продуктов. Крупнейшим потребителем кристаллической глюкозы в США является хлебопекарная промышленность. По мнению американских специалистов, хлеб, выпеченный с добавлением глюкозы, лучше, чем хлеб, приготовленный с добавлением сахара. Таким образом, в хлебопечении создается возможность сахар заменить глюкозой. Чтобы создать нормальные условия для ускорения брожения, в тесто добавляют глюкозу, тем самым дрожжи обеспечиваются готовыми легко сбраживаемыми углеводами. Наилучшим продуктом по сбраживанию является кристаллическая глюкоза.

     В кондитерском производстве глюкоза  используется в смеси с сахаром  при изготовлении мягких конфет, шоколада, печенья, крекеров, кексов.

     Глюкоза также широко применяется при  производстве алкогольных напитков — пива, вина, ликеров.

     Кристаллическая глюкоза выпускается в виде таблеток, плиток и конфет, а также в мелкой расфасовке. 
 
 
 

     

     

     1 Физические и химические свойства глюкозы 

     Глюкоза по классификации углеводов относится  к моносахаридам - гексозам, так как содержит шесть углеродных атомов. Исследованиями установлено, что в растворах d-глюкоза существует в трех взаимопревращаюшихся формах, две из них являются циклическими.

     Если  наблюдать за удельным вращением  водного раствора d-глюкозы, то обнаруживается, что оно начинает изменяться сразу же после растворения глюкозы, достигая лишь через некоторое время постоянной величины. Это явление называется мутаротацией. Были получены в основном две формы d-глюкозы — α-d-глюкоза с удельным вращением + 113^o и β-d-глюкоза с удельным вращением + 19^o.

     Для глюкозы и ее растворов признается существование следующей равновесной  системы, где в альдегидной форме  находится весьма незначительное количество глюкозы:

     

     При растворении в воде любой из форм глюкозы происходит мутаротация и в растворе устанавливается равновесие α и β-форм глюкозы. При температуре 18^оС мутаротация в глюкозном растворе заканчивается за 24 ч, а при температуре кипения для этого требуется всего несколько минут.

     Прибавление к раствору небольшого количества аммиака приводит к моментальному установлению равновесия между α- и β-формами глюкозы.

     Раствор глюкозы представляет собой смесь  трех ее форм: альдегидной, присутствующей в незначительных количествах, и  двух кольцевых α и β, находящихся в состоянии подвижного равновесия.

     Как было сказано выше, основная цель технологического процесса производства кристаллической  глюкозы - получение максимально  возможного выхода глюкозы в виде кристаллов высокого качества.  

     

     

Рисунок 1 – Гидратная глюкоза 

Рисунок 2 – Ангидридная глюкоза 

     Кристаллы гидратной глюкозы (с одной молекулой  кристаллизационной воды) относятся  к моноклинической системе и  представляют собой тонкие гемиморфные пластинки (рисунок 1).

     Гидратная глюкоза имеет относительную  плотность 1,5714. Молекулярная масса 198 г/моль. Точка плавления находится между 86-90°С.

     Кристаллы ангидридной глюкозы (рисунок 2) относятся к ромбической системе и представляют собой удлиненные призмы с концевыми гемигедральными поверхностями.

     Ангидридная глюкоза имеет относительную плотность 1,5381. Молекулярная масса 180 г/моль. Точка плавления 146-147°С. Форма кристаллов глюкозы и особенно их правильность зависят от ряда условий: роста кристаллов в покое или в движении, доброкачественности кристаллизуемого сиропа, температуры, при которой протекает кристаллизация, а также степени пересыщения кристаллизуемого раствора.

     Во  время кристаллизации при переходе глюкозы из раствора в твердое  состояние выделяется определенное количество тепла.

     Готовая кристаллическая глюкоза должна быть белого цвета без посторонних примесей. 
 
 
 
 
 
 

     

     

     2 Крахмал, как сырье для производства глюкозы 

     Сырьем  для производства кристаллической  глюкозы является крахмал, полученный из кукурузы, или пшеницы, а также  может быть использован картофельный крахмал. Однако картофельный крахмал незаменимое сырье в других отраслях промышленности и для производства глюкозы не используется. Основное сырье для производства кристаллической глюкозы - кукурузный крахмал.

     Чтобы обеспечить высокое качество выпускаемой  глюкозы и получить возможно высокий выход, к сырью предъявляются особые требования. В производство должен поступать свежий крахмал, полученный из доброкачественной кукурузы. В лежалом крахмале и крахмале, полученном из порченой кукурузы, имеются продукты распада белковых веществ, которые не удаляются при рафинации крахмала.

     По  внешнему виду крахмал представляет собой белый аморфный порошок. Цельные  крахмальные зерна при обычной  температуре не растворяются в воде, алкоголе, эфире, сероуглероде, хлороформе и бензоле. В щелочах и растворах некоторых солей крахмал растворяется. Относительную плотность безводного картофельного крахмала принимают 1,65, а для кукурузного - 1,61. При настаивании крахмала в воде крахмальные зерна набухают, образуя вязкий коллоидный раствор - клейстер. Клейстеризация картофельного крахмала начинается при 40 и заканчивается при 63-68^оС. Для кукурузного крахмала процесс клейстеризации начинается при 50^оС и заканчивается при 78^оС.

     Установлено, что крахмал состоит из двух основных компонентов: амилозы и амилопектина. В крахмале зерновых культур содержание амилозы колеблется от 15 до 25%, а амилопектина от 75 до 85%. Кроме амилозы и амилопектина, в крахмале могут находиться в незначительном количестве другие полисахариды с промежуточными свойствами. В крахмале содержится небольшое количество примесей: около 0,28-1,5% белка, 0,08-1,4% жира, 0,05-0,4% зольных веществ, в том числе фосфаты и кремниевая кислота. Крахмал по своим физико-химическим свойствам относится к группе углеводов класса полисахаридов. Эмпирическая формула крахмала (С₆Н₁₀О₅)_n. Характерной качественной реакцией на крахмал является его взаимодействие с раствором йода в йодистом калии, дающее синее окрашивание.  
 
 
 

     

     

     3 Реакция осахаривания крахмала 

     Одной из важных операций, на которой базируется производство кристаллической глюкозы из крахмала, является процесс его гидролиза в присутствии минеральных кислот. Кислотный гидролиз обычно осуществляется при температуре выше 100°С.

     Реакцию гидролиза можно изобразить следующим  упрощенным уравнением (1): 

     (С₆Н₁₀О₅)_n + nH₂O = nC₆H₁₂O₆. (1) 

     Если  бы гидролиз был единственной реакцией, происходящей при осахаривании крахмала, то при создании определенных условий  можно было бы легко получить степень  осахаривания 100%. Однако достигнуть такого осахаривания обычно не удается, так как с повышением концентрации глюкозы в растворе происходит реакция реверсии — соединение молекул глюкозы в дисахариды. Эта реакция протекает по следующему уравнению: 

     2(C₆H₁₂O₆) ↔ C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O.

     ^{Глюкоза  Ревертоза} 

     На  практике при осахаривании происходит не только реакция гидролиза и реверсии, но и разложение глюкозы. Реакция разложения необратимо удаляет из раствора глюкозу с образованием гидроксиметилфурфурола и других веществ, обладающих свойствами кислот.

     Процесс осахаривания крахмала можно представить схемой 1.

 

Схема 1 – Процесс осахаривания крахмала 
 
 

     

     

     4 Технология производства кристаллической глюкозы 

     Основными технологическими процессами глюкозного производства являются:

     1) очистка крахмала и приготовление крахмальной суспензии;

     2)  гидролиз крахмала;

     3)  нейтрализация сиропа;

     4) очистка сиропа от нерастворимых  примесей крахмала, нерастворимых  солей, образующихся при нейтрализации,  а также от красящих и других  растворимых веществ;

     5)  сгущение сиропа;

     6)  охлаждение сиропа и кристаллизации глюкозы;

     7)  центрифугирование и сушка готового продукта;

     Гидролизовать крахмал можно соляной, серной или  щавелевой кислотой, а также ферментативным методом. На отечественных заводах глюкозу производят из кукурузного крахмала гидролизом соляной кислотой.

     Для проведения кислотного гидролиза используют крахмальную суспензию концентрацией 22-25 % сухих веществ (СВ) и соляную кислоту с расходом 0,5-0,65%. Гидролиз ведут в конверторе или непрерывном осахаривателе при температуре 138-147°С и давлении 0,32-0,55 МПа в течение примерно 25 мин. Полученный гидролизат имеет чистоту 89-91% и его нейтрализуют 16% раствором карбоната натрия до рН - 4,7-5-5,0, при котором получается раствор с хорошей фильтруемостью. Очистка глюкозных сиропов осуществляется механическим фильтрованием на фильтрпрессе с использованием наполнителя – диатомита, который облегчает фильтрацию сиропов. При фильтрации растворов наиболее мелкие частицы поглощаются диатомитами, а более крупные просто обволакивают частицы наполнителя. Для ускорения фильтрации сироп на фильтрпресс подается под давлением. Глюкозный сироп, очищенный от механических примесей приобретает слабо-желтую окраску, поэтому сироп подвергают обесцвечиванию активированным углем. Свежий уголь задают по норме в контактный сборник с жидким сиропом. Далее сироп направляется на рамный фильтрпресс для механического отделения активированного угля.  
 
 
 
 

     Очищенные жидкие сиропы подогревают до 90-95°С и для снижения интенсивности нарастания цветности подкисляют соляной кислотой до рН = 4,4-4,5, после чего выпаривают в трехкорпусной выпарной установке под вакуумом до содержания сухих веществ 55-57%.

       Густой сироп подвергают фильтрованию, предварительно установив рН = 5,0-5,4. Затем сироп снова подкисляют  до рН = 4,2-4,3 и уваривают в вакуум-аппарате до концентрации СВ 74-76%.

     Полученный  глюкозный сироп чистотой 91-93% охлаждают в холодильнике до 48-50°С, фильтруют и заливают в кристаллизатор. В качестве затравки кристаллов вводят утфель предыдущей кристаллизации в количестве 30%. Сироп смешивают с затравкой в течение 12-24 ч; температура утфеля после смешивания должна быть 43-44°С.

     

     Коэффициент пересыщения в начале кристаллизации - 1,25-1,30. Процесс кристаллизации глюкозы идет 110-120 ч, и температура снижается до 25°С. В конце кристаллизации коэффициент пересыщения равен 1,10-1,15, концентрация СВ межкристаллитного раствора не более 63%, а его чистота — не более 80%. Кристаллы глюкозы промывают конденсатом или умягченной водой, свободной от солей железа, в центрифуге; расход воды на пробелку глюкозы составляет 20-25% от массы глюкозы. Центрифугированием утфель разделяют на кристаллы глюкозы и межкристальный оттек (зеленую патоку). Промытый водой оттек называют белой патокой. Межкристаллитный раствор частично возвращается в производство, а остальная часть реализуется предприятиям микробиологической промышленности.