Ферменты и их роль при реализации технологических процессов сахарного и крахмалопаточного производств. Эмиссионный спектральный анализ

МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ 
 
 
 

Кафедра: «Технология сахаристых, субтропических и

пищевкусовых  продуктов имени проф. П.М. Силина» 
 
 
 

Курсовой проект на тему:

«Ферменты и их роль при реализации технологических процессов сахарного и крахмалопаточного производств. Эмиссионный спектральный анализ» 
 
 
 
 

         Выполнила: Манекина Я.Н.

                                                                                       Студентка гр.:07-ТПМ-3                                        Проверил: проф. Тужилкин В.И. 
 
 
 
 
 
 
 

Москва 2011г.

      Человечество использует ферменты для приготовления продуктов питания с незапамятных времен. Эмпирическим путем люди выяснили, что существуют природные субстраты, которые при внесении их в тот или иной вид сырья вызывают в нем желательные изменения. 

1. ПРИМЕНЕНИЕ  ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ В КРАХМАЛО-ПАТОЧНОЙ ОТРАСЛИ

   С начала 70-х годов XX в. мировая потребность  в сахаре в значительной мере удовлетворяется за счет сахаристых продуктов из крахмала, производство которых в развитых странах существенно превышает производство сахарозы. Различные виды сахаристых продуктов получают ферментативными методами, используя в качестве сырья крахмал, зерно злаков, инулинсодержащее сырье, молочную сыворотку. Особенно важны для пищевой промышленности продукты ферментации крахмала - глюкозно-фруктозный сироп и различные виды патоки. 

   Технология  сахаристых продуктов из крахмала имеет  единую принципиальную схему:

клейстеризация-разжижение —» осахаривание —» изомеризация глюкозы

 

   Отдельные продукты получают, используя или только первую, или первую и вторую, или все три стадии. Индивидуальные характеристики получаемых продуктов определяются свойствами применяемых ферментных препаратов и режимом ферментации сырья.

   Ферментативная  конверсия крахмала в сахара не имеет  недостатков, характерных для применявшегося ранее кислотного гидролиза, при котором в гидролизатах обнаруживаются продукты реверсии и термического разложения углеводов, снижающие качество и выход сахаристых продуктов. 

   Технология  глюкозы, получаемой ферментативным способом

  При кислотном гидролизе крахмала практически  нет возможности регулировать углеводный состав гидролизатов, так как кислота не проявляет специфичности к гликозидным связям в крахмале и поэтому происходит беспорядочное расщепление молекул крахмала, а продуктами гидролиза служат глюкоза и ее полимеры различной степени полимеризации.  При этом для любой данной степени гидролиза состав углеводов аналогичен. Кислота катализирует также расщепление примесей крахмала, что ухудшает качество гидролизатов. Возможность варьирование углеводного состава и других физико-химических свойств продуктов гидролиза крахмала обеспечивается на основе ферментативного гидролиза путем подбора и селекции соответствующих продуцентов ферментов, а также разработки определённого технологического режима процесса.

  Сотрудниками  ВНИИК и МГУПП разработана технология глюкозы, получаемой ферментативным способом. Использование ферментных препаратов позволяет вырабатывать глюкозу без отделения межкристального оттека при высоком ее качестве. При этом выход глюкозы выше (106-109% по крахмалу), чем при выработке кристаллической глюкозы (70%). Значительно сокращается длительность кристаллизации – с 5-10 суток при существующей технологии кислотного гидролиза крахмала до нескольких часов при ферментативном способе.

     Способ производства глюкозы с применением ферментов независимо от вида сырья, источника ферментов, имеющегося оборудования и других условий включает стадии разжижения крахмала и осахаривания, осуществляемые последовательно и с использованием различных катализаторов — ферментов (рис. 1). 

Рис. 1. Принципиальная технологическая схема производства глюкозы с применением

                 ферментов 

 

  В ферментативных процессах одним  из решающих факторов гидролиза крахмала является его атакуемость. В клейстеризованном разжиженном виде он гораздо легче поддается глубокому расщеплению.

  Стадию  разжижения можно проводить с  помощью либо кислоты, либо термостабильных ферментов, например бактериальной а-амилазы.

  Изменение рН при разжижении от 5,5 до 7 не оказывает  существенного влияния на результаты этого процесса и осахаривания крахмала. Это позволяет упростить процесс и отказаться от регулирования рН. Лучшие результаты получаются при многоступенчатом нагревании с температурными паузами при 65, 67 и 70 °С по 30 мин и при 75, 77, 80 и 85 °С по 10 мин с последующим кипячением или выдерживанием под давлением. Ступенчатый нагрев суспензии крахмала обеспечивает сглаживание резкого повышения вязкости, и она не достигает больших значений; более равномерный прогрев массы; снижение количества неосахаренного крахмала; хорошую фильтрационную способность; высокую степень последующего осахаривания. При этом достигается степень разжижения 16 — 23 % при дозировке а-амилазы 0,1—0,2 % СВ крахмала.

  Использование глюкоамилаз для осахаривания разжиженного крахмала позволяет получать гидролизаты  высокой степени доброкачественности (99 — 99,5%). Например, импортный препарат Глюкозим в оптимальной дозировке 0,4 — 0,5 % СВ обеспечивает полный гидролиз крахмала в течение 72 ч.

Применение  ферментных препаратов для получения  различных видов  сахаристых продуктов  из крахмала 

  В основе технологии всех видов сахаристых продуктов из крахмала лежит регулируемая декстринизация (разжижение) клейстеризованного крахмала. В качестве сырья обычно используют кукурузный или картофельный крахмал в виде водных суспензий концентрацией 35 —38 %. Для разжижения крахмала применяют препараты α-амилазы. Их вносят в начальной стадии процесса поскольку клейстеризация концентрированной крахмальной суспензии возможна только при условии ее одновременного разжижения. Полная желатинизация крахмальных гранул происходит при температуре выше 120 ° С. Поэтому при использовании препаратов а-амилазы низкой термостабильности, таких, как Амилосубтилин или БАН (его аналог), процесс разжижения проводят в две стадии, с промежуточной термообработкой. Амилосубтилин проявляет максимальную разжижающую способность при рН 6 — 6,2 в течение 40 мин при тёмпературе 84...86°С.  

  Схема разжижения крахмала Амилосубтилином  включает:

• разжижение 35%-й крахмальной суспензии с рН 6 —6,2 в течение 40 мин при температуре 85...88 °С и дозировке а-амилазы 0,5 ед/г крахмала;
• термообработку в течение 1 — 3 мин при 120...130 °С с последующим охлаждением до 85 "С;
• разжижение в течение 90 мин при температуре 85 °С и дозировке фермента 0,2 ед/г крахмала.

 

  Содержание  редуцирующих сахаров в конце первой стадии составляет 10—12%, по окончании процесса — 18 — 20% массы крахмала (в пересчете на глюкозу). Продукт охлаждают до 58...60 °С и подкисляют до рН 4,5—4,7.

  Применение  термостабильной α-амилазы сокращает длительность процесса клейстеризации-разжижения и расход энергии, значительно упрощает аппаратурное обеспечение процесса, который может быть проведен в одном реакторе.

  С помощью препаратов термостабильной  α-амилазы, таких, как Термамил, крахмал клейстеризуют и разжижают в одну стадию при непрерывном повышении температуры до 105...110 °С. В присутствии фермента снижается верхний температурный порог клейстеризации, поскольку структура гранул ослаблена частичным гидролизом. При замене препарата БАН на Термамил расход фермента на единицу субстрата снижается в 3 раза. При сопоставлении разжижающей способности различных препаратов α-амилазы, взятых в дозировке 0,1 ед/г крахмала, выявлено, что российский препарат Амилолихетерм превосходит зарубежные препараты. Расход Амилолихетерма (жидкая форма) составляет 0,45 ед/г крахмала, что в 1,56 раза ниже, чем при разжижении Амилосубтилином. Особенно эффективно его действие на ржаной крахмал, что связано с наличием в нем относительно высокого содержания белка (1,3 %), который расщепляется протеазой Амилолихетерма (в остальных препаратах соотношение ПС:АС существенно ниже). Гидролиз белковой примеси повышает доступность крахмала действию амилазы.

  Данные  изменения содержания редуцирующих веществ в процессе гидролиза 30%-й суспензии картофельного крахмала Амилолихетермом (0,45ед. амилазы/г, t = 55...105°С, х = 1,5 ч) показывают, что, изменяя продолжительность процесса, можно регулировать степень расщепления крахмала.

Продолжительность гидролиза                         5     7    10  15       20    30     60     90  

Содержание  редуцирующих веществ, % СВ 5,8 6,7 10 12,7 14,7 25,2 28,9 30,2  

  Технология  ферментативного разжижения крахмала в различных модификациях используется для получения мальтодекстринов с РВ5-27%. 

  Мальтодекстрины. Это новый класс низкоосахаренных крахмальных гидролизатов с глюкозным эквивалентом (ГЭ) от 5 до 27 %, получаемых биоконверсией крахмала или крахмалосодержащего сырья с последующей очисткой сиропов и их сушкой в распылительной сушилке.

  Мальтодекстрины получили широкое распространение  благодаря своим полезным свойствам, таким, как низкие сладость (малое содержание глюкозы) и гигроскопичность, высокая вязкость, способность препятствовать кристаллизации, сохранение аромата, стабильность при высоких температурах и химических воздействиях.

  С применением мальтодекстринов с  ГЭ 13 —20 % в организме человека поддерживается постоянный уровень глюкозы в  крови как у грудных детей, так и у людей пожилого возраста с ослабленной ферментной системой желудочно-кишечного тракта.

  Мальтодекстрины входят в рецептуры быстрорастворимых  продуктов, специй, растворимого кофе, кондитерских и хлебобулочных изделий, детского питания, молочных продуктов, соусов, приправ, диетического питания, сухих супов, мясных и колбасных изделий.

  Мальтодекстрины с ГЭ 18 —20 % вводят в рецептуры  ароматизаторов в качестве наполнителей для стандартизации вкусовых и ароматических веществ.

  Мальтодекстрины с РВ до 25 % получают по двухстадийной  схеме разжижения крахмала с промежуточной  термообработкой, используя препарат Амилосубтилин Г10Х. Мальтодекстрины  со степенью полимеризации 150 — 200, что  соответствует степени расщепления  крахмала 5—27 %, используют как углеводный компонент питания детей грудного возраста.

  Сахаристые  продукты с более высокой степенью расщепления полисахаридов получают путем обработки ферментативно- или кислотно-разжиженного крахмала амилазами экзотипа или их комплексами  с эндоамилазами.

  Особое  место среди мальтодекстринов занимает мальтин (ГЭ — 5 — 8 %), имеющий среднюю молекулярную массу 69 700 и среднюю степень полимеризации 430, обладающий свойством образовывать термореверсивные гели, подобно жирам. Мальтин можно использовать при производстве низкокалорийных майонезов вместо части яичного порошка и подсолнечного масла заменяя им часть сливочного масла (до 10%) и снижая дозировку сахара на 7 %; его можно вводить в состав специальных смесей для зондового питания в качестве основного источника углеводов.

       Мальтин получают путем декстринизации картофельного или кукурузного крахмала в одну стадию. При использовании Амилосубтилина Г10Х процесс проводят при 85 °С с последующей термообработкой при 110...115 °С. Используя Амилолихетерм (0,45 ед/г крахмала), гелеобразующая способность которого на 30 % выше, чем у Амилосубтилина, суспензию крахмала нагревают до 105 °С, затем охлаждают до 95 °С. Достаточная степень гидролиза достигается за 5-7 мин.

  В качестве сахарозаменителя рекомендуется применять мальтозную патоку.

  Мальтоза - умеренно сладкий дисахарид пролонгированного действия, характеризуется специфическими физиологическими свойствами при метаболизме в организме человека, которые не обеспечивает сахароза.

  Мальтоза  характеризуется высокими антисептическим  эффектом и термостабильностью, низкими гигроскопичностью и вязкостью в растворе. Мальтозная патока даже с содержанием сухих веществ 50 % отличается устойчивостью к спонтанной кристаллизации при обычных условиях хранения. Поэтому мальтозная патока с малым содержанием глюкозы рекомендуется для получения твердой карамели.

  Основные  процессы в производстве мальтозной патоки - разжижение и осахаривание крахмала.

  Процесс разжижения крахмала можно осуществлять ферментативным способом с применением либо бактериальной α-амилазы по двухстадийной схеме, либо термостабильной α-амилазы по одностадийной схеме.

  Ферментативное  осахаривание разжиженного крахмала ведется грибной α-амилазой или бактериальной β-амилазой.

  В результате действия этих биопрепаратов  полученные продукты несколько различаются: β-амилаза образует много мальтозы и незначительное количество глюкозы, не образует мальтотриозы. Гидролизат обладает пониженной фильтрационной способностью из-за наличия повышенного количества предельных β-декстринов.