1.1 Крахмал

Крахмал - сыпучий порошок белого или слегка желтоватого цвета. По химическому строению и составу крахмал относится к сложным углеводам- полисахаридам второго порядка (С₆ Н₁₂ О₅), мономером которого является глюкоза [5].

В больших количествах крахмал содержится в зернах злаковых растений, клубнях овощных культур и т.д.

Являясь основным резервным углеводом растений, крахмал содержится почти во всех семенах, а также в клубнях, корневищах и других частях растений. Однако для промышленного получения крахмала используют, прежде всего, клубни картофеля, зерна кукурузы, пшеницы, риса и ржи.

Обладая большой энергетической ценностью, крахмал и крахмалопродукты являются концентратом энергии.

Энергетическая ценность: Картофель – 1251, кукуруза – 1376 кДж или около 300 к/кал.

Крахмал в России вырабатывают в основном из картофеля и кукурузы. В некоторых южных и восточных, зарубежных странах его получают так же из клубней маниоки, зерен сарго и т.д. В США крахмал вырабатывается в основном из кукурузы. В России в начале 18 века изготавливали крахмал из пшеницы, который использовался для технических целей (крахмалили хлопчатобумажные изделия).

В настоящее время значительная часть предприятий крахмало - паточной промышленности размещены в Ярославской, Рязанской, Ивановской и Горьковской областях средней зоны России. Много крахмала вырабатывается на Северном Кавказе, Белоруссии, Украине. Размещение предприятий крахмало - паточной промышленности обусловлено сырьевой базой.

В настоящее время рынок крахмала в большей степени имеет промышленную направленность, а не потребительскую. Крахмал и его модификации используются, прежде всего, в качестве сырья для производства большого числа продукции.

Основными потребителями крахмала являются: мясо- молочная промышленность (производство колбас, сосисок, мороженого, майонеза), пищеконцентратная отрасль (кисели, соусы), кондитерская (конфеты, торты, жевательная резинка, мармелад), а так же бумажная и медицинская промышленности [11].

Классификация крахмала и крахмалопродуктов

В зависимости от сырья:

• Картофельный

• Кукурузный

• Пшеничный

• Рисовый

• Сорговый

Из сырого не высушенного крахмала вырабатывают искусственное саго.

В процессе модификации получают следующие виды:

• Расщепленный (гидролизованный)

• Окисленный

• Набухающий

• Диальдегидный

• Замещенный

При кислотном способе гидролиза получают следующие продукты:

• Декстрины

• Патока крахмальная низкоосахаренная

• Патока крахмальная (обычная)

• Патока глюкозная высокоосаахаренная

• Глюкоза.

В результате ферментативного способа гидролиза крахмала вырабатывают следующие продукты:

• Низкосахарная патока

• Высокосахорная патока

• Декстрин - мальтозная патока

• Мальц - экстракт

• Глюкозно - фрутукозный сироп

• Высокофруктовый сироп

• Фруктоза

• Глюкоза.

Состав и свойства крахмала

В клетках растений крахмал находится в виде плотных образований, получивших название крахмальных зерен. В зависимости от вида растений, внешних условий в период формирования крахмальные зерна различаются строением, формой, и размерами. По внешнему виду под микроскопом можно идентифицировать происхождение или его однородность.

Крупные зерна картофельного крахмала (от 15 до 100 мкм и более) имеют овальную форму и на поверхности бороздки, которые концентрировано размещены вокруг глазка – точки или черточки. Мелкие зерна - круглые. Крахмал, состоящий из крупных зерен, отличается более высоким качеством.

Зерна крахмала выделенные из кукурузы – многогранные (5 – 25 мкм) с большим круглым глазком на поверхности.

Для пшеничного крахмала характерно присутствие зерен крупных (20 – 35 мкм) и мелких (2 – 10 мкм). Форма их плоская, элиптическая. Глазок расположен в центре, заметен только у крупных зерен.

Ржаной и ячменный крахмал при микроскопировании похожи на пшеничный.

Рисовый крахмал состоит из наиболее мелких зерен (3 – 8 мкм), имеющих многогранную форму.

Важнейшее свойство крахмала – способность подвергаться гидролизу под действием ферментов или кислот. Процесс гидролизациии (расщепления) крахмала, называется осахариванием, протекает под действием разбавленных минеральных кислот при нагревании (кислотный гидролиз) или амилолитических ферментов (ферментативный гидролиз).

Крахмал состоит из двух видов полисахаридов – амилозы и амилопектина, при этом оба они при полном гидролизе дают только глюкозу.

Амилоза легко растворяется в теплой воде, ее растворы имеют сравнительно невысокую вязкость, со временем ретрогардируется (осаждается) в виде трудно растворимого геля.

Амилопектин растворяется лишь при нагревании под давлением, его растворы очень вязки.

В молекуле амилазы остатки глюкозы связаны гликозидными связями между первым и четвертыми углеродными атомами (α-1-4 гликозидная связь). Они образуют длинную цепочку имеющую следующую структуру (рисунок 1)

Рисунок 1 – Строение молекулы амилазы

В молекуле амилопектина остатки молекул глюкозы соединены не только α-1-4 гликозидными связями, но и имеют связь между 1 и 6 углеродными атомами (α-1-6 гликозидная связь) - рисунок 2.

Рисунок 2 – Строение молекулы амилопектина

Молекула амилопектина имеет ветвистое строение. Молекулярный вес его значительно выше. У амилозы преимущественно линейное строение (рисунок 3).

АМИЛОЗА АМИЛОПЕКТИН

Рисунок 3 – Внешнее строение амилозы и амилопектина

Содержание амилозы и амилопектина составляет 17 – 24 % - амилоза, 76 – 83 % - амилопектина.

Соотношение амилозы и амилопектина может изменяться в зависимости от вида и сорта растения, степени зрелости и других факторов.

К основным физико- химическим свойствам крахмала относят:

1. Клейстеризация крахмала - при его нагревании в воде (обусловлено наличием амилопектина).

В первой фазе нагревания вода медленно и обратимо поглощается зернами крахмала, происходит их ограниченное набухание. Во второй фазе зерна быстро набухают, во много раз увеличиваясь, возрастает вязкость.

Температура клейстеризации 60 – 70 ⁰С, у кукурузного на 5 ⁰С выше.

2. Вязкость – имеет большое практические значение. Вязкость амилопектиновой фракции выше, чем амилозной, из - за ветвистого строения.

Пищевые кулинарные изделия, получаемые из крахмала (соусы, кисели, и т.д.) должны обладать определенной вязкостью.

Картофельный крахмал дает клейстеры со значительно большей вязкостью, чем кукурузный, следовательно, его нужно добавлять меньше (100 частей картофельного, или 130 частей кукурузного).

3. Студнеобразующая способность – проявляется при достаточном содержании крахмала в клейстерах (зависит от амилазной фракции). Студни из крахмалов различных видов по своим свойствам не одинаковы. Так, студни из рисового крахмала имеют вначале прочность в 1,5 раза выше, чем студни из картофельного крахмала той же концентрации. Однако после выстойки прочность студня из рисового крахмала увеличивается меньше, чем у студня из картофельного крахмала. Важным свойством студня является их прозрачность, определяемая свойствами амилопектина, наличием связанной с ним фосфорной кислоты, ионов щелочных или щелочноземельных металлов. Студень картофельного крахмала – прозрачный, бесцветный, тягучий; кукурузного – молочно-белого цвета, пастообразный.

Образование студней используется при изготовлении киселей, запеканках, конфет, колбас.

Свойства крахмальных студней зависит от концентрации крахмала, продолжительности выстойки и других факторов.

Характерной особенностью крахмальных студней является – ретроградация крахмала. И в студнях и в растворах крахмала с течением времени наблюдается помутнение и образуются две фазы – жидкая и студнеобразная, что связано с выделением нерастворимого осадка – амилозы.

Снижение температуры клейстеризации способствует ретроградации крахмала, которая может происходить даже в сухом состоянии (например: черствение хлеба). Скорость ретроградации значительно возрастает с понижением температуры [9].

Схема получения крахмала

В качестве сырья для производства крахмала пригодны устойчивые к заболеваниям технические и универсальные сорта картофеля, так как они отличаются высоким содержанием крахмала и низким содержанием клетчатки и азотистых веществ.

На качество вырабатываемого крахмала отрицательно влияет повышенное содержание белков, они являются хорошим пенообразователями, затрудняют промывку крахмальных зерен, загрязняют крахмал. Аминокислота тирозин при окислении дает темно – окрашенные меланины, что увеличивает цветность крахмала. Соланин (гликозид) затрудняет промывку крахмала. Зольные элементы влияют на вязкость и клейстеризующую способность. Повышенное содержание зольных элементов указывает на несоблюдение технологических процессов и попадания частиц земли и песка в готовый продукт. Технологические схемы получения крахмала представлены на рисунке 4 и 5.

Выход сухого крахмала из картофеля 18-20% от массы картофеля или 85-90% общего крахмала.

На терках, для размельчения клеток картофеля