автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.05, диссертация на тему:Разработка технологии новых сахаристых продуктов из крахмала

М-'Ю-г/лк-з

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте крахмалопродукгов р 0 ССЖЙ С К А Я

ГОСУДАРСТВЕННАЯ.

доктор технических наук, профессор И.Ф. Бугаенко, доктор технических наук, профессор В.В. Спичак Заслуженный деятель науки и техники РФ, член-корреспондент РАСХН, доктор технических наук, профессор Б. А. Устинников

_Ведущая организация

Ассоциация российских производителей крахмалопаточной продукции (Роскрахмалпатока) (125422, Москва, Тимирязевская ул., 1, офис 3410)

Защита состоится "16" декабря 199; Диссертационного совета Д.063.51.02 Моек пищевых производств по адресу : 125080, М< А.

Просим Вас принять участие в заседа! прислать во МГУПП отзыв в двух экземпляг вышеуказанному адресу

С диссертацией в виде науч!-МГУПП (125080, Москва, Волоког

10°° час в ауд.302 на заседании то государственного университета Волоколамское шоссе, 11, корпус

ционного совета или >еждения по

"иблиотеке

Диссертация в виде на,

Ученый секретарь Диссертационного совета, А профессор «ов

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы. Потребность России в сахаре' за счёт собственного производства удовлетворяется только на 30%. Но возможности увеличения производственного потенциала сахарной промышленности в стране ограничены её сырьевыми ресурсами. Острота этой проблемы с учётом мирового опыта может быть- снижена за счёт расширения производства сахаристых продуктов из крахмалсодержащего сырья.

Исследования отечественных и зарубежных учёных свидетельствуют об эффективности применения биоконверсии крахмала при получении сахаристых продуктов высокого качества с заданным углеводным составом. Использование сахаристых крахмалопродуктов предоставляет значительные возможности для создания новых видов пищевых изделий, в том числе диетического назначения.

Наличие разнообразного крахмалсодержащего сырья (картофель?, кукуруза, пшеница, ячмень, сорго, рожь и др.) создаёт возможности для увеличения в России объёмов производства сахаристых крахмалопродуктов.

Федеральной целевой программой "Увеличение производства сахара в 1997-2000 годах и на период до 2005 года в РФ" (программа "Сахар") предусмотрено повышение производственных мощностей по выработке сахаристых продуктов из крахмала почти в 4 раза и доведение объёма их выпуска до 900 тыс.т в год. Рост объёмов потребления крахмалопродуктов предусматривает более высокие требования к качеству, потребительским свойствам и ассортименту продукции, что , обусловлено, необходимостью повышения её конкурентоспособности и удовлетворения потребности в такой продукции различных групп населения. .. ....

Подтверждением актуальности наших исследований явилось их включение в научно-технические программы Миннауки РФ и Россельхозакадемии: "Перспективные процессы в перерабатывающих отраслях АПК.", "Прогрессивные экологически безопасные технологии хранения и комплексной переработки сельхозпродукции для создания продуктов .питания повышенной пищевой и биологической ценности" и в международные проекты -"Сахаристые продукты и пищевые добавки из крахмалсодержащего сырья", "Биоконверсия - 2000".

В этой связи избранная тема наших исследований по разработке технологии новых сахаристых продуктов из крахмала является актуальной, и имеет важное значение для развития пищевой и перерабатывающей промышленности АПК РФ.

Цель и задачи исследований. Цель диссертационной работы- научное обоснование и разработка технологии новых сахаристых продуктов, с использованием современных , принципов воздействия на крахмал и крахмалсодержащее сырьё для увеличения выработки сахаристых продуктов и повышения их качества.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи: .

изучение структурных и термодинамических свойств крахмала и их взаимосвязи с технологическими характеристиками;

разработка основных принципов и технологических режимов применения, новых ферментных препаратов, их композиций в процессах биоконверсии крахмала и крахмалсодержащего сырья;

разработка процесса адсорбционной очистки гидролизатов крахмала с применением гранулированного;угля и разработкой эффективного способа его. регенерации;

изучение состава, структуры и свойств порошкообразных и гранулированных продуктов гидролиза крахмала;

разработка технологии и технических средств производства порошкообразных и гранулированных крахмалопродуктов.

Научная новизна. Разработаны научно обоснованные принципы выбора технологических параметров для. производства новых видов сахаристых продуктов из крахмала с заданными свойствами:

♦ изучены состав, структура и термодинамические свойства крахмала как объекта биоконверсии, позволившие определить область оптимальных температур при производстве продуктов гидролиза с применением ферментных препаратов;

♦ выявлены^ закономерности действия на крахмал нового ферментного препарата термостабильной а-амилазы Амилолихетерм Г18х и определены оптимальные условия проведения процесса разжижения крахмала;

♦ систематизированы данные по изменению качественных характеристик гидролизатов при биоконверсии крахмала с применением глюкозо- и мальтозообразующих ферментных препаратов и разработаны технологические режимы получения крахмальных паток различного углеводного состава;

♦ определены оптимальные условия действия композиции осахаривающих ферментных - препаратов и предложена технология паток повышенной СЛадостй, не кристаллизующихся при хранении;

♦ изучены закономерности действия мальтозообразующего препарата растительного происхождения и создана технология крахмальной патоки заданного олигосахаридного состава для детского питания;

♦ впервые изучены закономерности действия отечественного целлюлолитического ферментного препарата Целловиридин Г20х на некрахмальные полисахариды ржаной муки с целью снижения вязкости мучной гидросуспензии и обоснована эффективность биоконверсии ржаной муки, минуя стадию получения чистого крахмала, с использованием собственной ферментной системы ржаной муки, а также ферментных препаратов амилолитического и целлюлолитического действия; разработан технологический режим производства ржаного сиропа.

Впервые исследована кинетика адсорбции красящих веществ гидролизатов крахмала гранулированным углём отечественного производства.

Впервые исследован процесс термической регенерации гранулированного угля с использованием методов дифференциально-термического и термогравиметричёского анализа.

Впервые предложена научно обоснованная классификация гидролизатов крахмала по их термоустойчивости.

Впервые разработаны научные основы технологии гранулированной глюкозы без отделения межкристального оттека. Предложена математическая модель процесса гранулообразования глюкозы с учётом влияния на скорость кристаллизации самообразуёмой зародышевой порошкообразной фракции продукта.

Разработана новая методика определения степени кристалличности гранулированной глюкозы с применением методов дифференциально-термического и термогравиметрического анализа.

Практическая ценность и реализация результатов работы. На

Новлянском крахмалопаточном заводе (Владимирская обл.) внедрён ферментативный способ производства новых видов крахмальной патоки:

мальтозной, глюкозно-мальтозной и карамельной, отвечающих требованиям мировых стандартов .

На Волковыском заводе (Республика Беларусь, Могилёвская обл.) внедрена технология низкоосахаренной порошкообразной крахмальной патоки с ферментативным гидролизом крахмала.

На Костромском крахмало-паточном заводе освоена технология ржаного сиропа путём биоконверсии ржаной муки с применением ферментных препаратов амилолитического и целлюлолитического действия.

Технология гранулированной глюкозы применена на Бучачском мальтозном заводе (Тернопольская обл., Украина), АО "Аян" (г.Абакан).

8 опытном цехе ВНИИК освоены:

- технология производства гранулированной глюкозы, в том числе с пищевыми добавками;

технология адсорбционной очистки гидролизатов крахмала гранулированным углём с последующей его электротермической регенерацией.

Разработана и утверждена нормативно-техническая документация на 9 новых видов сахаристых продуктов из крахмала: "Патока крахмальная ферментативная" (ТУ 9188-024-00334735-96). "Патока глюкозно-мальтознай'из крахмала" (ТУ 10-1168-95), "Глюкоза гранулированная" (ТУ 10-1176-94), "Патока крахмальная повышенной сладости марки 6-60" (ТУ 018-00334735-95), "Патока высокооеахаренная" (ТУ 10-04-08-68-91), "Патока крахмальная для детского питания" (ТУ 9188-236-00008064-97), "Продукт сахаристый гранулированный "Колибри" (ТУ 9188-021-00334735-96), "Сиропы из зерновых культур" (ТУ 9188035-00334735-98), "Сахаристые продукты из крахмала" (ТУ 9188-043-0033473598).

Разработаны технологические регламенты на проектирование предприятий по производству сахаристых крахмалопродуктов в Ленинградской и Ивановской областях.

Апробация работы. Результаты работы по её отдельным аспектам доложены и обсуждены на 32 отечественных и международных симпозиумах, конференциях, научных чтениях, в том числе: VI - IX всесоюзных симпозиума* "Физико-химия крахмала и крахмалопродуктов" (Москва, 1974, 1976, 1981, 1984), 17 всесоюзных и всероссийских научных, научно-технических и научно-практических конференциях, научных чтениях: "Перспективы промышленной теплоэнергетики" (Москва, 1977), "Интенсификация процессов сушки ' й использования для этих целей новой техники" (Калинин, 1977), "Интенсификация процессов производства сухих мясных и молочных продуктов" (Волковыск, 1979), "Дальнейшее совершенствование теории, техники и технологии сушки" (Чернигов, 1981), "Основные направления ¡забот по эффективному использованию новых: безотходных схем производства крахмала и крахмалопродуктов" (Борисов," 1983), "Основные направления развития крахмалопаточной промышленности" (Беслан, 1985), "Пути повышения эффективности производства и снижения себестоимости крахмала и крахмалопродуктов" (Нальчик, 1986), "Новое в технике и технологии крахмалопаточного производства" (Москва, 1991), "Научное обеспечение хранения и переработки растительного сырья в пищевой промышленности", (Москва, 1991), "Научно-технический прогресс в перерабатывающих отраслях АПК" (Москва, 1995), "Прогрессивныё экологически безопасные технологии хранения и комплексной переработки сельскохозяйственной продукции для создания продуктов питания повышенной пищевой й биологической ценности" (Углич, 1996), "Системы технологических процессов и системы машин для

пищевой и перерабатывающей промышленности АПК" (Углич, 1997), "Проблемы создания нового поколения отечественных продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности - продуктов :Ю(Г века" (Углич, 1998), "Микробные ферментные препараты и их применение в пищевой и перерабатывающей промышленности" (Москва, 1999), "Проблемы фундаментальных исследований в области обеспечения населения России здоровым питанием" (Москва 1999),' научных чтениях к 55-летию факультета "Биотехника" МГУПБ (Москва, 1998), научно-методических чтениях по курсам "Техника и процессы подготовки инженера биотехнологических производств" и "Расчёт и конструирование", посвящённых д.т.н., проф. В.И. Соколову (Москва, 1998), 11 международных конференциях и симпозиумах: "Пища. Экология. Человек." (Москва, 1995), "Энергосберегающие технологии переработки сельскохозяйственного сырья" (Минск, 1996), "Лечебно-профилактическое и детское питание" (Санкт-Петербург, 1996), "Производство и упаковка пищевых продуктов" (Пекин, 1997), "Научные и практические аспекты совершенствования качества продуктов детского и геродиетического питания" (Москва, 1997), "Электрохимическая активация в медицине, сельском хозяйстве, промышленности" (Москва, 1997), "Пищевые добавки: - 98" (Москва, 1998), "Ресурсосберегающие технологии пищевых производств" (Санкт-Петербург,

1998), "Продукты XXI века - технология, качество, безопасность" (Москва, 1998), "Индустрия продуктов здорового питания - третье тысячелетие (человек, наука, технология, экономика" (Москва, 1999), "Пища. Экология. Человек." (Москва,

1999).

Результаты научных разработок в виде образцов продукции и макетов оборудования экспонировались на отечественных выставках: ВДНХ СССР (1985 г. - серебряная медаль за экспонат "Установка для гранулирования глюкозы"), ВВЦ РФ (1994 г. - медаль "Лауреат ВВЦ" за экспонат "Гранулированная глюкоза"; 1996 г. - медаль "Лауреат ВВЦ" за экспонат "Крахмальная патока для детского питания"; 1998 г. - медаль "Лауреат ВВЦ" за экспонат "Зерновой сироп"), а также на международных выставках - "Детское питание - 91", "World Food - 92", "Кукуруза - 93".

Публикации. Диссертация изложена в форме научного доклада, обобщающего 141 публикацию, в том числе 18 авторских свидетельств и патентов РФ на изобретения.

2. Разработка технологии новых сахаристых продуктов из крахмала

Основным технологическим процессом получения сахаристых продуктов является гидролиз крахмала, который можно осуществлять с применением в качестве катализатора как минеральных кислот (соляная, серная), так и биологически активных веществ (ферментные препараты) [13,19].

При кислотном гидролизе крахмала в жестких условиях (температура 140 °С; рН 1,1) снижается качество гидролизатов, которые включают полисахариды с большой молекулярной массой, придающие опалесценцию готовой продукции. Кроме того, вследствие образования хлорида натрия при последующей. нейтрализации выработать крахмальную патоку с чистым сладким вкусом практически невозможно.

Биоконверсия крахмала обеспечивает возможность получения сахаристых продуктов не только требуемого качества, но и с различным соотношением глюкозы, мальтозы, олиго- и полисахаридов, обусловливающих разнообразие ценных потребительских свойств готовой продукции [65,69,118,119,120].

Сахаристые продукты из крахмала с применением биоконверсии выпускаются за рубежом в значительных объёмах. Однако в России их производство весьма ограничено, что потребовало создания и развития научно-практических технологий новых видов сахаристых крахмалопродуктов [1,12,92,123].

Всё более широкое развитие получают технологии выработки пищевых продуктов в сухом, сыпучем виде. Их преимущества очевидны: расширение ассортимента, повышение эффективности при последующем их использовании в технологических процессах, улучшение качества и увеличение сроков хранения в результате подавления развития микрофлоры. В этой связи большое значение имеет получение в сухом виде крахмальных паток и гранулированной глюкозы[3,6,22,25].

В технологии этих продуктов важное значение имеет адсорбционная очистка гидролизатов крахмала. Получившие распространение порошкообразные адсорбенты используются однократно, что приводит к увеличению затрат на производство продукции. В связи с этим несомненный интерес представляет возможность многократного использования адсорбентов путём их регенерации.

Нами предложена классификация сахаристых крахмалопродуктов и технологических процессов их получения (рис. 1,2).

Основные направления научно-технического развития производства сахаристых крахмалопродуктов, рассматриваемые в настоящей работе, ;можно сформулировать следующим образом:

применение высокоэффективных технологий с использованием новых видов ферментных препаратов и их композиций при гидролизе крахмала и крахмалсодержащего сырья, процессов адсорбционной очистки сиропов с регенерацией адсорбента, гранулообразования глюкозных продуктов;

расширение ассортимента и повышение потребительской ценности продуктов путём создания новых видов крахмальных паток заданного углеводного состава, а также сахаристых веществ в порошкообразном и гранулированном видах;

2.1. Исследование структурных и термодинамических параметров крахмала

Рассмотрена взаимосвязь структуры и термодинамических свойств нативных крахмалов со скоростью диффузионных процессов при ферментативном гидролизе. В качестве объектов исследования выбраны крахмал картофеля, пшеницы и гороха, характеризующиеся тремя различными типами упаковки макромолекулярных цепей. Исследованы также крахмалы кукурузы и ржи.

При проведении исследований использованы методы рентгено-структурного анализа (РСА), дифференциальной сканирующей микрокалориметрии (ДСК) и вискозиметрии.

Методом РСА можно определить долю кристаллитов в нативных зёрнах крахмала, методом ДСК - долю не только кристаллитов, но и двойных спиралей амилопектина, не вошедших в кристаллиты. Такие структуры получили название молекулярно упорядоченных. Нами разработана методика определения содержания молекулярно упорядоченных структур с использованием РСА и ДСК [84,98,105].

Содержание и соотношение кристаллических и молекулярно упорядоченных структур во всех крахмалах не зависят от их