Технология крахмальной патоки

Крахмальная патока – это продукт неполного гидролиза крахмала разбавленными кислотами или амилолитическими ферментами. Патока представляет собой бесцветную или слегка желтоватую, очень вязкую жидкость со сладким вкусом. Сладость ее в 3−4 раза ниже сладости сахарозы.

В зависимости от степени гидролиза крахмала патока содержит различное количество глюкозы, мальтозы и декстринов – в этом заключается специфичность ее использования в качестве дополнительного сырья при получении отдельных видов пищевой продукции.

В зависимости от назначения крахмальную патоку вырабатывают трех видов: карамельную (К), карамельную низкоосахаренную (КН) и глюкозную высокоосахаренную (ГВ). Карамельная патока выпускается двух сортов: высшего (КВ) и первого (КI). Патока классифицируется в зависимости от ее углеводного состава, который определяют по общему содержанию редуцирующих веществ (РВ). Условно выраженная в глюкозных единицах, эта величина отражает суммарное содержание всех сахаров в сухом веществе патоки. Содержание редуцирующих веществ, выраженное в процентах к массе сухих веществ, в карамельной патоке находится в пределах 38–44, в низкоосахаренной 30–34 и в глюкозной 44–60.

При повышенном содержании редуцирующих веществ патока теряет антикристаллизационные свойства.

Патоку получают путем гидролиза крахмала соляной кислотой или при помощи ферментов.

Технологическая схема получения патоки включает в себя следующие стадии производства: подготовка крахмала к гидролизу; гидролиз крахмала; нейтрализация гидролизатов; фильтрование сиропов; обесцвечивание фильтрованных сиропов адсорбентами; уваривание жидких сиропов до густых; уваривание густых сиропов до патоки и охлаждение патоки.

Подготовка крахмала к гидролизу. Сырье, поступающее на производство патоки, должно содержать минимальное количество примесей, так как они оказывают отрицательное влияние на ход технологического процесса и качество патоки. Обычно перерабатывается крахмал, поступающий с различных предприятий, поэтому его подвергают очистке по той же технологической схеме, что и при выработке сухого крахмала.

Гидролиз крахмала. Его проводят в присутствии катализатора кислотным, кислотно-ферментативным или ферментативным способом.

В любом случае процесс гидролиза включает стадии клейстеризации крахмала, разжижения крахмального клейстера и его осахаривание. Клейстеризация начинается с ослабления и разрыва связей между макромолекулами амилозы и амилопектина, нарушения структуры крахмальных зерен и образования гомогенной массы с высокой вязкостью.

Под действием катализатора длинные цепочки молекул крахмала разрываются. Образуются продукты с различной молекулярной массой, вязкость клейстера снижается, – происходит его разжижение, идет дальнейший разрыв молекул крахмала вплоть до глюкозы. Содержание редуцирующих веществ в продуктах гидролиза крахмала характеризуется глюкозным эквивалентом (ГЭ).

Кислотный гидролиз крахмала. Кислотный гидролиз крахмала проводится в конверторах периодического действия или осахаривателях непрерывного действия. Последние имеют ряд преимуществ. Аппараты непрерывного действия обеспечивают равномерность и требуемую скорость процессов нагревания, клейстеризации и осахаривания, а также высокое качество готового продукта. Процесс осахаривания крахмала в них идет следующим образом (рис.1.7).

Суспензию крахмала с содержанием сухих веществ 40 % из сборника 1 подкисляют соляной кислотой из сборника 11 и направляют в специальный сборник 2, откуда смесь насосом 3 последовательно подается в пять трубчатых теплообменников 4, где она подогревается до 52–55 °С конденсатом, подаваемым из конденсатоотводчика 5, и поступает в нагреватели 6. Обогревающий пар под давлением 0,45 МПа подается в межтрубное пространство каждого теплообменника и обеспечивает температуру осахаривания 143 °С. После теплообменников продукт поступает в зону осахаривания – медные трубы 7. Температура перед зоной осахаривания 8 поддерживается регулятором 9 на уровне 144–146 °С. Из зоны осахаривания продукт направляется в испаритель 10 и сборник окончательной нейтрализации 13. Для нейтрализации сиропа из сборника 12 насосом 14 подают кальцинированную соду.

Несмотря на дешевизну катализатора и быстроту проведения, кислотный гидролиз крахмала имеет весьма существенные недостатки: получаемые гидролизаты имеют невысокое качество из-за присутствия в них продуктов термического кислотного разложения углеводов, продуктов разрушения белковых примесей крахмала под действием кислоты и высокой температуры процесса.

Не удается достичь также достаточно полного осахаривания крахмала. Поэтому для проведения гидролиза крахмала на любой его стадии целесообразно использовать ферменты. Благодаря направленности и специфичности действия ферментов можно вырабатывать патоку с различным составом углеводов. Гидролизаты имеют высокое качество, низкую цветность, так как ферментативный гидролиз идет при значительно более низких температурах и рН, близких к нейтральным. Глюкозный эквивалент (ГЭ) может достигать 98 %, что значительно повышает выход кристаллического продукта в производстве глюкозы.

Рис. 1.7. Схема непрерывного осахаривания крахмала системы НОК−300М

Кислотно-ферментативный гидролиз крахмала. Для устранения недостатков кислотного разжижения крахмала можно использовать его кислотно-ферментативное разжижение. Для этого суспензию крахмала подкисляют соляной кислотой до рН 1,8–2,5 и подают в непрерывно-действующий осахариватель, где ее нагревают до 140 °С в течение 5 мин, после чего кислоту нейтрализуют раствором кальцинированной соды до рН 6,0–6,5. Продукт практически мгновенно охлаждают в циклоне-испарителе до 85 °С и добавляют раствор α-амилазы. В качестве разжижающего вещества используют ферментный препарат амилосубтилин Г10х с оптимумом действия при 85 °С и рН 6,2–6,5. Гидролиз длится 30 мин. Полученный гидролизат имеет ГЭ 10–13 % и хорошие фильтрационные свойства. Осахаривание его проводят также с использованием ферментов при 60 °С и рН, оптимальном для их действия до необходимого глюкозного эквивалента.

Ферментный гидролиз крахмала. При использовании ферментативного разжижения крахмала в 30–35 %-ную суспензию крахмала вводят раствор кальцинированной соды до рН 6,0–6,5, раствор бактериальной α-амилазы и ее стабилизаторов: СаО или Са(ОН)₂.

Смесь подогревают острым паром до 85 °С и выдерживают при этой температуре 1,5 ч после чего подогревают до 140 °С в течение 5 мин для улучшения фильтрационных свойств. Температуру разжиженного крахмала быстро снижают до 60 °С и ведут осахаривание амилоглюкозидазой в условиях, оптимальных для ее действия, до достижения требуемого глюкозного эквивалента.

Нейтрализация гидролизатов. Ее проводят в том случае, если гидролиз крахмала проводился с помощью кислоты.

Цель нейтрализации – прекращение гидролиза крахмала по достижении заданной степени осахаривания, перевод свободных минеральных кислот, недопустимых в пищевых продуктах, в безвредные соли и создание оптимальных условий для последующей очистки сиропов от примесей. Нейтрализованный сироп не должен иметь рН ниже 4,5–4,9, что обеспечивает устойчивость глюкозы, коагуляцию белков и наилучшие условия обесцвечивания сиропов углями.

Гидролизаты, осахаренные с помощью соляной кислоты, нейтрализуют только содой. Нейтрализацию необходимо проводить очень осторожно при интенсивном перемешивании, чтобы не допустить даже местного перещелачивания, в противном случае глюкоза разлагается с образованием окрашенных продуктов, кроме того, карбонат натрия легко вступает в реакцию с кислыми фосфатами, переводя их в средние, что приводит к потемнению и помутнению патоки при хранении.

Процесс ведут в специальных нейтрализаторах периодическим или непрерывным способом. Конструкция аппарата должна обеспечивать быстрое смешивание соды с кислотой и улавливание капель сиропа из отходящих паров.

Подготовка сиропов к фильтрованию. Промышленные гидролизаты паточного производства содержат от 0,9 до 1,9 % взвешенных частиц. Основную массу нерастворимых примесей составляет белок (0,3–1%), который под действием кислоты и высокой температуры полностью денатурируется и подвергается пептизации.

Часть нерастворимых примесей составляет мезга, которая находится в крахмале. Все эти примеси удаляют фильтрованием гидролизатов. Чтобы облегчить процесс фильтрования, некоторую часть примесей предварительно выделяют путем отстаивания сиропов в специальных отстойниках или обработкой их на тарельчатых сепараторах с периодической или непрерывной выгрузкой осадка.

Фильтрование сиропов. Для более полного удаления взвесей гидролизат фильтруют. Осадки в основном состоят из скоагулированных хлопьев белка, легко сжимаемых и трудно проницаемых, поэтому для облегчения фильтрования к сиропу добавляют пористый наполнитель (перлит, диатомит). Фильтрование проводят на вакуум-фильтрах, или автоматических фильтрах-прессах при температуре гидролизатов 75–80 °С, при этом давление может достигать 0,3–0,5 МПа.

Обесцвечивание фильтрованных сиропов адсорбентами. После фильтрования паточные сиропы превращаются в прозрачные жидкости желтого цвета. Интенсивность их окраски зависит от чистоты перерабатываемого крахмала, способа проведения гидролиза и условий нейтрализации. К красящим веществам паточного сиропа относятся продукты гидролиза белков, разложения углеводов, продукты реакции меланоидинообразования и др. Наряду с красящими веществами в сиропе присутствуют кислые фосфаты, обусловливающие кислотность патоки, некоторые минеральные вещества, растворимые белки, органические кислоты и др.

Цель очистки паточного сиропа адсорбентами – полное его обесцвечивание, устранение запаха и удаление примесей.

В качестве адсорбентов на паточных заводах применяют активированный уголь, который удаляет из раствора красящие вещества, золу, соли железа, коллоидные и азотистые вещества, жир и жирные кислоты. Гидролизаты неоднократно обрабатывают углем в специальных реакторах. Порошкообразный активированный уголь используют в виде водной суспензии концентрацией 25 %. Ее вводят непосредственно в сироп, температура которого 65−70 °С, и постоянно перемешивают в течение 20–30 мин. После обработки адсорбент удаляют фильтрованием сиропов.

Уваривание жидких сиропов до густых. Для получения густого сиропа с минимальной цветностью и экономии расхода теплоты сгущение сиропа от жидкого (концентрация 35–40 %) до густого (55−57 %) осуществляют в многокорпусных выпарных аппаратах под разрежением. Наибольшее распространение получили выпарные аппараты вертикального типа, как правило, трехкорпусные. Перед первым корпусом сироп подогревают до 97 °С, температура кипения сиропа в этом корпусе 100 °С, соответственно во втором корпусе 86 °С, а в третьем – 67,7 °С.

Уваривание густых сиропов до патоки. Очищенный густой сироп концентрацией сухих веществ 55–57 % уваривают в вакуум-аппаратах до патоки с содержанием сухих веществ не менее 78 %.

Для получения патоки высокого качества процесс уваривания ведут при температуре не выше 60 °С. Продолжительность процесса уваривания должна быть минимальной (50–55 мин).

Охлаждение патоки. Патока, выходящая из вакуум-аппарата, имеет температуру 60–70 °С. Так как это вязкий продукт, естественное охлаждение идет очень медленно при быстром нарастании цветности за счет образования красящих веществ. Чтобы избежать этого, стремятся быстро (в течение 40–80 мин) охладить ее до температуры 40–45 °С.

Для этой цели используют специальный холодильник, представляющий собой теплообменник, внутри которого размещены змеевики с циркулирующей в них холодной водой. В центре теплообменника находятся циркуляционная труба и мешалка. Резервуар имеет коническое днище и крышку. Холодная вода поступает через воронки отдельно в каждый змеевик, а отработавшая отводится через общую воронку. Горячая патока, проходя между трубами змеевиков, охлаждается и самотеком выходит в сборник. Затем патоку фасуют и хранят.

Выпускаемая промышленностью патока любого вида должна отвечать требованиям стандарта, т. е. быть прозрачной, без постороннего запаха и вкуса. Содержание сухих веществ должно быть не менее 78 %.