автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.05, диссертация на тему:Разработка технологии нативных крахмалов из нетрадиционных видов сырья

На правах рукописи УДК: 664.22/27

АНДРЕЕВ НИКОЛАЙ РУФЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НАТИВНЫХ КРАХМАЛОВ ИЗ НЕТРАДИЦИОННЫХ ВИДОВ СЫРЬЯ

Специальность 05.18.05 - Технология сахара и сахаристых продуктов

Диссертация

в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Г*»

Москва 2001

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте крахмалопродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор И.Ф. Бугаенк доктор технических наук, профессор Ю.В.Космодемьянский доктор технических наук, профессор В.А. Голыбин

Ведущая организация

ОАО «Климовский крахмалопаточный комбинат» (243040, Брянская обл., п. Климоао, ул.Заводская, 1)

Защита состоится 14 июня 2001г. в 10 час. в ауд. 302 на заседании Диссертационного совета Д.212.148.01 Московского государственного университета пищевых производств по адресу: 125080, Москва, Волоколамское шоссе, 11, корпусА

Прошу Вас принять участие в заседании Диссертационного совета или прислать в МГУПП отзыв в двух экземплярах с печатью учреждения по вышеуказанному адресу

С диссертацией в виде научного доклада V ' ! ться в библиотеке

МГУПП (125080, Москва, Волоколамское шо £

Диссертация в виде научного "м ч.

Ученый секретарь Диссертационной

совета Д.212.148.01, профессор , д<

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. За последнее десятилетие мировое производство крахмала увеличилось более чем в 2 раза - в основном за счет переработки традиционных видов крахмалсодержащего сырья: кукурузы, маниока, пшеницы. Возрастающая роль крахмала в экономике развитых стран вызвана его уникальными свойствами как готового продукта, так и сырья для получения модифицированных крахмалов различного назначения, сахаристых крахмалопродуктов и полимерных материалов.

Для России восстановление и увеличение объемов выработки крахмала становится народнохозяйственной проблемой, так как импорт этого продукта в последние годы составил более 70% его общего потребления. Падение объемов производства крахмала вызвано прекращением субсидирования переработки картофеля на крахмал и недостаточными ресурсами зерна кукурузы, поэтому вовлечение в переработку на крахмал основных видов отечественного зернового сырья - пшеницы, ржи и ячменя - является актуальной задачей. Для решения вопроса о целесообразности использования этого сырья наряду с картофелем и кукурузой требуется проведение научных исследований по технологии его переработки, определению физико-химических свойств новых видов крахмала с целью их анализа и сопоставления со свойствами традиционных крахмалов. При этом необходимо оценивать и экономические аспекты производства крахмала из новых видов крахмалсодержащего сырья с учётом его технологических свойств.

В научной литературе и в учебных пособиях по химии и технологии крахмала (А.С.Сипягин, R.W. Kerr, Н.Н.Трегубов, А.А.Милютин, R.L.Whistler, Н.Г. Гулюк, А.И.Жушман и др.) основное внимание уделено технологическим аспектам получения крахмала из картофеля и кукурузы. Что касается других видов крахмалсодержащего сырья, то в этих работах приведена, как правило, лишь обзорная информация о классических технологиях переработки на крахмал пшеницы, риса, маниока, батата и др.

Последние десятилетия ознаменовались новыми достижениями науки в области синтеза, формирования структуры крахмальных зерен, более глубокого изучения свойств крахмала и др. С использованием меченных атомов углерода, микробиологического анализа, электронной микроскопии, дифрактометрии, калориметрии и других методов и средств анализа подтверждены и уточнены выдвинутые в 50-е годы гипотезы о механизме синтеза крахмала, выявлены основные факторы, определяющие процесс синтеза молекул полисахаридов крахмала при формировании зерен.

На основе достижений генетики и селекции крахмалсодержащего сырья разработаны технологии новых видов крахмала из кукурузы, картофеля, гороха, са и ячменя с заданными молекулярным составом полисахаридов, структурой ; <■ /нкциональными свойствами.

Качественные изменения произошли и в технологиях традиционных для г. ии,картофельного и кукурузного крахмалов, что связано с использованием бк:. яхнолргических процессов подготовки сырья, новых видов оборудования и их гомплексов для разрушения структуры сырья, выделения крахмала и разделе:- -¡я некрахмальных компонентов.

Во многих отраслях пищевой и перерабатывающей промышленности нашел п;/йенение системный подход к построению и развитию технологических про-ц< .сов переработки сырья. Результаты анализа эволюционных преобразований, d кций, структуры и диагностирования технологических процессов могут слу-

жить основой их совершенствования и адаптации к изменяющимся условиям.

В свете новых данных появились предпосылки для рассмотрения производства крахмала как объекта замкнутой биологической системы, включающей выращивание сырья, его переработку на крахмал, утилизацию сопутствующих ему веществ на кормовые цели, повышение их ценности путем биохимической и механической обработки в технологическом потоке, возвращение неиспользованных веществ в почву для последующего воспроизводства этого сырья.

Разработка экологически безопасных технологий получения крахмалов с заданными молекулярным составом полисахаридов и функциональными свойствами на основе научно обоснованной концепции развития производства крахмала в России с расширением диапазона видов крахмалсодержащего сырья, вовлекаемого, в' промышленную переработку с минимальными трудовыми и энергетическими затратами, является объектом исследований данной диссертационной работы.

Цель и задачи работы. Цель - создание теоретических основ и практических аспектов разработки и применения принципиально новых технологий переработки на крахмал нетрадиционного крахмалсодержащего сырья ( рожь, пшеница, ячмень и др.), что является основой существенного увеличения объёмов производства крахмала в страйе и снижения импорта зерна кукурузы.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

- выявить основные тенденции развития производства нативных крахмалов из различных видов сырья;

- исследовать микроструктуру зерен и функциональные свойства различных видов крахмала на основе их термодинамических и реологических характеристик; .

- разработать научно обоснованную систему классификации чативных крахмалов и крахмалсодержащего сырья;

- провести экономическую оценку различных видов крахмалсодержащего сырья для промышленной переработки на крахмал;

- исследовать процессы направленного, разрушения структуры крахмалсодержащего сырья, научно обосновать способы измельчения и конструкции измельчающих устройств для максимального высвобождения крахмала;

- исследовать процессы разделения разрушенного сырья на крахмал и сопутствующие ему продукты, научно обосновать технологические режимы разделения крахмалсодержащих суспензий повышенной вязкости;

- разработать экологически безопасную систему воспроизводства и переработки крахмалсодержащего сырья;

- провести диагностику технологического потока производства крахмала для определения возможности его адаптации к переработке различных видов сырья;

-на базе теоретических разработок создать технологию комплексной переработки нетрадиционных видов сырья на крахмал и другие продукты.

Научная новизна. Впервые крахмалсодержащее сырьё рассмотрено как сложный биохимический объект с широкой вариабельностью состава и свойств, а также взаимозависимостью изменений, протекающих на всех стадиях экологически безопасной и экономически целесообразной технологической системы переработки этого сырья на крахмал и сопутствующие ему продукты.

По результатам исследования молекулярного состава, термодинамических и реологических характеристик нативных крахмалов из различных видов крахмалсодержащего сырья впервые научно обоснована и разработана их классификация по 4 типам.

На основе систематизации и анализа структуры и химического состава основных видов крахмалсодержащего сырья впервые разработана их классификация, в основу которой положены технологические признаки.

Теоретически и экспериментально обоснована эффективность применения способа ударного разрушения структуры крахмалсодержащего сырья, который обеспечивает избирательное разделение его на отдельные компоненты. Получены математические зависимости направленного разрушения макроструктуры сырья от скорости удара и формы профиля рабочих элементов измельчающих машин.

Выявлены закономерности процессов разделения измельчёйной массы крахмалсодержащего сырья на крахмал и сопутствующие ему продукты в многоконтурных гидроциклонных установках, разработан балансовый метод последовательного расчета разделения суспензий с применением рекуррентных функций, учитывающих разделяющую способность каждой ступени гидроцикпонов.

На основе функционально-структурного анализа и диагностирования технологического потока производства картофельного и кукурузного крахмала научно обоснована и разработана система технологий и оборудования для переработки крахмалсодержащего сырья. Определены условия адаптации технологического потока производства картофельного крахмала к переработке других видов крахмалсодержащего сырья.

Дано научное обоснование развития технологического потока производства крахмала из зернового сырья с бимодальной дисперсностью зерен крахмала при комбинировании его со спиртовым производством, в котором полностью используются для осахаривания и сбраживания трудно извлекаемая мелкая фракция крахмала и сопутствующие ему вещества.

Разработана научно обоснованная концепция переработки крахмалсодержащего сырья в биологически замкнутой системе "поле - завод - ферма - поле", выявлены количественные связи между ее объектами, создана математическая модель функционирования такой системы.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Научные результаты диссертационной работы явились базой для обоснования ряда принципиально новых технико-экономических и технологических решений.

Результаты наших исследований ударного способа измельчения клубней картофеля и зерна кукурузы использованы в конструкциях измельчающих машин (ПКИ-400, ПМК-150, ПМШ-10, ПДК-100), разработанных Опытно-конструкторским бюро ВНИИ крахмалопродуктов и изготовленных Кореневским экспериментальным заводом для оснащения всех картофеле- и кукурузокрахмальных заводов России и стран СНГ. В 1981 г. с фирмой (^агсова» (ФРГ) заключено и реализовано лицензионное соглашение на передачу документации на «устройство для тонкого измельчения крахмалсодержащего сырья».

Методика балансового расчета процессов разделения крахмалсодержащих суспензий применена при разработке конструкций многоконтурных гидроциклонных установок ПГУ-200, ПГУ-500, выпущенных Кореневским экспериментальным и Переволоцким машиностроительным заводами. На картофелекрахмальных предприятиях внедрено более 120 гидроциклонных установок.

Реализована разработанная нами концепция эффективного использования крахмалсодержащего сырья и научно обоснованных способов его переработки на крахмал и сопутствующие ему продукты в биологически замкнутой системе "поле - завод -ферма - поле". На базе реконструированного и переоснащенного новым оборудованием Климовского крахмалопаточного комбината и прилегающих к нему сельскохозяйственных предприятий создана агропромышленная сис-

тема "Брянский крахмал". Работа удостоена Премии Совета Министров СССР за 1990 г. В период с 1987 по 1991г. на 70 реконструированных картофелекрах-мальных заводах внедрена новая технология с применением измельчающих машин ударного действия и многоконтурных гидроциклонных установок, что позволило повысить производительность предприятий более чем в 1,5 раза, в 10 раз снизить расход свежей воды и на 3% увеличить выход крахмала.

Разработанная нами .система технологий и оборудования для переработки крахмалсодержащего сырья использована при составлении «Федерального регистра технологий и машин для пиицевых и перерабатывающих отраслей АПК России».

Предложенные нами на основе функционально-структурного анализа принципы адаптации технологического потока производства картофельного крахмала к переработке зернового сырья легли в основу создания технологий и норматив^ но-технической документации на. производство ржаного, пшеничного, ячменного и горохового крахмалов, которые использованы на Свердловском, Шаблыкин-ском, Ямбирнском и Чернавском крахмальных заводах. :

Результаты исследований по снижению вязкости ржаномучных суспензий для извлечения крупной фракции крахмала применены при разработке технологии комбинированного производства крахмала и спирта из зерна ржи.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы по ее отдельным аспектам доложены и обсуждены на 13 международных и отечественных конференциях, симпозиумах ^ семинарах, в том числе: 6 международных научно-технических и научно-практических конференциях - "Научно-технический прогресс в перерабатывающих отраслях АПК" ( Москва, 1995 ), "Пища. Экология.Человек" ( Москва, 1999>, ''Индустрия-продуктов здорового питания - третье тысячелетие" (Москва, 1999), "Проблемы научного обеспечения хранения и переработки зерна" (г. Астана, 1999 ), "Продовольственная индустрия юга России. Экологически безопасные энергосберегающие технологии хранения и переработки сырья растительного и животного происхождения" (Краснодар, 2000), "Спиртовая и ликеро-водочная промышленность - 2001" (Москва, 2001 ), международном симпозиуме "Beijing1 International Symposium on Food Processing and Packaging Technology" ( Пекин, 1997 ), международном-профессиональном семинаре "Сахар и крахмалолродукты - 2000" ( Москва, 2000 ), 4 Всероссийских научно-технических конференциях - "Прогрессивные, экологически безопасные технологии хранения и комплексной переработки с.-х. продукции для создания продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности" (Углич, 1996, 1998, 2000 ), "Системы технологических процессов и системы машин для пищевой и перерабатывающей промышленности АПЙГ' ('УШи^, 1987), научно-техническом совете Минсельхозпрода России "Технология комплексной переработки зернового сырья на крахмал и cniipf" ( Москва, 1999):

Результаты научных разработок в виде техйЬлогических схем и образцов продукции экспонировались на отечественных выставках: ВДНХ СССР ( 1985 г. серебряная медаль за экспонат "Устройство для тонкого измельчения крахмалсодержащего сырья")," ВВЦ РФ (1995 г. - медаль "Лауреат ВВЦ" за экспонат "Гидроциклонная установка" ; 1998 г. - медаль "Лауреат ВВЦ" за экспонат "Комплексная переработка ржи на крахмал и сахаристые продукты").

Публикации. Диссертация изложена в виде научного доклада, обобщающего 81 публикацию, в том числе монографию «Основы производства нативных крахмалов», 11 авторских свидетельств и патентов РФ на изобретения, 10 изданных за рубежом статей и отдельных обзоров.

1. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОИЗВОДСТВА КРАХМАЛА

Производство крахмала и крахмалопродукгов занимает одно из ведущих мест в экономике лромышленно развитых стран. Это связано с резким ростом в последние десятилетия выработки сахаристых продуктов из крахмала и модифицированных крахмалов для различных отраслей промышленности [6, 12, 59]. Ввиду многообразия свойств крахмал и его модификации нашли также широкое применение в технических целях: в бумажной и текстильной индустрии, для приготовления формовочных смесей в литейном производстве, для стабилизации глинистых растворов при бурении и других; в медицине и фармакологии.

В отличие от биологически трудно разрушаемых синтетических полимеров, получаемых из нефти и газа, крахмал является ежегодно возобновляемым полимером, который широко используется для производства биоразрушаемых упаковочных, укрывочных материалов, посуды разового пользования и других изделий.

Основной тенденцией в использовании сырьевых ресурсов для производства крахмала в большинстве стран является переработка местных видов сырья. В Европе таким сырьем является картофель, пшеница, кукуруза, в Северной Америке - кукуруза, в Латинской Америке и Юго-Восточной Азии - маниок, батат и саговая пальма [11-13, 52].

Постоянно возрастающая потребность в крахмале диктует необходимость увеличения объёмов его производства; наиболее высокие темпы роста достигнуты за счет переработки кукурузы, маниока и пшеницы. В то же время объём мирового производства картофельного крахмала стабилизировался на уровне 2,5 млн. т (рис. 1).

/-кукуруза; 2-маниок; 3- пшеница; 4 - картофель; 5- рис, батат и др.

Рис.1. Мировое производство кра�