Багно О.О., Нагорна С.Ю., Нагорний Ю.С.

Дніпродзержинський державний технічний університет

ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ГІДРОЛІЗУ КУКУРУДЗЯНОГО КРОХМАЛЮ У КИСЛОМУ СЕРЕДОВИЩІ

Об’єкт досліджень – гідроліз кукурудзяного крохмалю у кислому середовищі. Гідроліз протікає при термічній, хімічній або ферментативній взаємодії на молекулу крохмалю. В залежності від зовнішніх умов процесу (тривалості, температури, концентрації крохмалю і т.ін.) досягається різноманітна глибина гідролізу, яка і визначає якість кінцевого продукту.

Дослідження проводилися в лабораторних умовах на установці, яка відтворювала реальний процес гідролізу крохмалю у кислому середовищі. Установка (див. рисунок 1) складалася з термостійкого скляного реактора - гідролізера – 2, електричної печі – 1 для підтримки температури в реакторі в межах 80 – 110 ^оС, термометру – 4 для контролю заданої температури процесу та насосу – 9 для створення тиску в гідролізері.

Порядок проведення експерименту складався з декількох етапів:

На першому етапі проводилося приготування крохмального молока та визначення його концентрації денсиметричним методом.

На другому етапі встановлювали закінчення процесу, а саме визначення продуктів гідролізу за йодною пробою.

Схема експериментальної лабораторної установки, на якій відтворювався процес гідролізу кукурудзяного крохмалю зображена на рисунку 3.1.

1 – піч; 2 – гідролізер; 3 – крохмальне молоко; 4 – термометр; 5 – кран для взяття проби; 6 – пробка; 7 – лійка; 8 – з'єднувальний шланг;

9 – насос; 10 – електродвигун насоса

Рисунок 1 – Схема експериментальної лабораторної установки

Для проведення експерименту готували крохмальну суспензію. Концентрацію суспензії перевіряли денсиметричним методом. Для підкислення приготованої крохмальної суспензії додавали сірчану кислоту у кількості 1/3 від загальної кількості кислоти, необхідної для гідролізу.

Приготовлену підкислену крохмальну суспензію концентрацією 40,0 - 43,0 ⁰Бр заливали через лійку 7 у гідролізер 2, в якому на той час інтенсивно кипіла вода. У воду додавали сірчану кислоту у кількості 2/3 від загальної кількості кислоти, необхідної для гідролізу. Для підтримки кипіння використовували електричну піч 1. Концентрацію загальної кількості сірчаної кислоти у ході експерименту змінювали від 0,2 н. розчину до 0,05 н. розчину сульфатної кислоти. Під час розчинення крохмалю суміш в гідролізері перемішували скляною паличкою, щоб запобігти місцевим перегрівам біля дна гідролізера і підгорянню крохмалю, а крім того, це дозволяє запобігти утворенню грудок клейстеру та прискорює процес розчинення. Швидкість гідролізу й глибину його контролювали шляхом взяття йодної проби через кран 5 кожні 15 хвилин. Через шланг 8, який з’єднаний з насосом 9, забезпечується в гідролізері тиск. Закінчення процесу гідролізу встановлювали за йодною пробою.

При гідролізі одержувані декстрини дають з йодом фарбування в наступній послідовності:

синє → синьо-фіолетове → фіолетове → червоно-жовтогаряче → жовтогаряче → жовте.

За проведеними дослідами отримані результати представили у вигляді графічних залежностей ступеня оцукрування крохмалю від: концентрації крохмальної суспензії рис. 2, температури – рис. 3 та тривалості процесу при різній концентрації сірчаної кислоти – рис. 4.

декстрини

Концентрація крохмальної суспензії, ⁰Бр

Рисунок 2 – Залежність ступеня оцукрування крохмалю від концентрації крохмальної суспензії

Температура процесу, ⁰С

Рисунок 3 –Залежність ступеня оцукрування крохмалю від температури процесу

Тривалість процесу, хв

1 – 0.2 н. розчин Н₂SО₄; 2 – 0,1 н. розчин Н₂SО₄; 3 – 0,05 н. розчин Н₂SО₄.

Рисунок 4 – Залежність ступеня оцукрування крохмалю від тривалості процесу при різній концентрації сульфатної кислоти

З рисунка 2 видно, що концентрація крохмальної суспензії відіграє важливу роль при проведенні процесу. У дослідженому діапазоні ступінь оцукрування можна збільшити при зниженні концентрації крохмального молока. Так при ступені оцукрування крохмалю 80 %, або за шкалою продуктів гідролізу це є патока, концентрація крохмальної суспензії становить 40 ⁰Бр, а при найбільшій її концентрації 43 ⁰Бр, відповідно, 20 % за ступенем оцукрування – процес швидкості гідролізу відбувається повільніше. Тож у результатах експерименту для швидкості отримання необхідного ступеня оцукрування або отримання відповідних продуктів гідролізу краще застосовувати крохмальне молоко концентрацією 40 ⁰Бр.

Із залежності ступеня оцукрування крохмалю від температури протікання процесу, рисунок 3, видно, що визначальним фактором швидкості процесу гідролітичного розкладання крохмалю є температура. У діапазоні зміни температури 98 – 105 ⁰С ступень оцукрування крохмалю змінювався від 20 до 100 %. Так при підвищенні температури з 101,5 ⁰С ступень оцукрування крохмалю інтенсивно збільшується. Відповідно, вже при температурі 103,2 ⁰С ступінь оцукрування крохмалю становить 80 % і продуктом гідролізу є патока.

Представлена залежність ступеня оцукрування крохмалю від тривалості процесу при різній концентрації сульфатної кислоти – рисунок 4. Концентрацію сульфатної кислоти використовували в діапазоні 0,2 н.; 0,1 н. і 0,05 н. розчини H₂SO₄. Як видно з графіку, для швидкості тривалості процесу можна збільшити концентрацію кислоти. Наприклад, за час гідролізу тривалістю 60 хвилин можна досягти 80 % за ступенем оцукрування, де продуктом гідролізу є патока, при концентрації 0,2 н. розчину сульфатної кислоти, чого не можна сказати за цей час про кислоту концентрацією 0,1 н., так як за дану годину вона досягає лише відмітки 60 % за ступенем оцукрування і продуктом гідролізу є мальтоза. Кислота, концентрацією 0,05 н. діє на процес ще повільніше – за цей проміжок часу – 60 хвилин, ступень оцукрування крохмалю складає 40 %. Для вирішення цієї задачі можна встановити будь-які значення ступеня оцукрування для досягнення заданої швидкості гідролізу, наприклад, технічні можливості дозволяють вести процес за 100 хвилин, при відповідній температурі, при цьому ступень оцукрування складає 80 %. Згідно цим даним визначаємо необхідну концентрацію кислоти для досягнення бажаного результату.

Проаналізувавши отримані результати дослідження та їх графічні залежності можна сказати наступне:

- На стадії приготування крохмального молока слід використовувати підігріту до 35 – 55 ⁰С воду для кращого розчинення крохмалю та запобіганню утворення грудочок.

- На стадії гідролізу крохмалю для виробництва патоки краще використовувати сірчану кислоту у кількості 1/3 від загальної кількості кислоти, необхідної для гідролізу. Внаслідок цього зі збільшенням дозування кислоти, наприклад, вдвічі, при постійній вихідній концентрації крохмального молока збільшується швидкість гідролізу не в два рази, а декілька більше.

- Гідроліз крохмалю рекомендується проводити при якомога вищих температурах (температура на крохмале-патоковому виробництві 100 – 150 ⁰С) для досягнення процесу за менший проміжок часу. І як відомо, з приведених графічних залежностей зі збільшенням температури швидкість гідролізу крохмалю збільшується.

ЛІТЕРАТУРА:

1. Технология крахмала и крахмалопродуктов/ Под ред. Н.Н. Трегубова.– 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. – 472 с.

2. Голубев В. Н. Пищевые и биологические активные добавки: Учеб. пос. для студентов вузов. – М.: МАЙК «Наука», 2003.

3. Трегубов Н.Н., Трегубова М.М. Технохимический контроль крахмало-паточного производства. – М.: Пищевая промышленность, 1974. – 216с.