Pretvaranje ugljikohidrata u proizvodnji hrane. Drveni alkohol (alkohol za hidrolizu)
Hidroliza ugljikohidrata... U mnogim proizvodnja hrane dolazi do hidrolize prehrambenih glikozida, oligosaharida i polisaharida. Hidroliza ovisi o mnogim faktorima: pH, temperatura, anomerna konfiguracija, kompleks enzima. Važan je ne samo za procese dobivanja prehrambenih proizvoda, već i za procese njihovog skladištenja. U potonjem slučaju, reakcije hidrolize mogu dovesti do neželjenih promjena boje ili, u slučaju polisaharida, mogu dovesti do njihove nemogućnosti stvaranja gelova.
Sada se velika pažnja posvećuje dobivanju različitih sirupa od šećera u zrnu od jeftinih sirovina koje sadrže škrob i škroba (raž, kukuruz, sirak itd.). Njihova se proizvodnja svodi na upotrebu različitih kombinacija amilolitičkih enzimskih pripravaka (a-amilaze, glukoamilaze, b-amilaze). Dobivanje glukoze (pomoću glukoamilaze), a zatim djelovanje glukozoizomeraze omogućuje dobivanje glukozno-fruktoznih i visoko fruktoznih sirupa čija upotreba omogućuje zamjenu saharoze u mnogim industrijama.
Prilikom primanja šećernih sirupa iz škroba, stupanj konverzije škroba u D-glukozu mjeri se u jedinicama ekvivalent glukoze(GE) je sadržaj (u%) formiranih reducirajućih šećera, izražen u glukozi po suhoj tvari (DS) sirupa.
Tablica 10: Sastav i slatkoća tipičnih visoko fruktoznih sirupa
Hidroliza skroba.
1. Tijekom hidrolize škroba pod djelovanjem kiselina, prvo dolazi do slabljenja i razbijanja asocijativnih veza između makromolekula amiloze i amilopektina. To je popraćeno kršenjem strukture škrobnih zrna i stvaranjem homogene mase. Slijedi pucanje a-D- (l, 4)- i a-D- (1,6) -veza uz dodatak molekula vode na mjestu pucanja. Tijekom hidrolize povećava se broj slobodnih aldehidnih grupa, a smanjuje se stupanj polimerizacije. Kao hidroliza i rast smanjenje(reducirajući) tvari, sadržaj dekstrina se smanjuje, glukoza - raste, koncentracija maltoze, tri- i tetrasugara se prvo povećava, a zatim se smanjuje njihova količina (slika 11). Krajnji proizvod hidrolize je glukoza. U srednjim fazama nastaju dekstrini, tri- i tetrasugari, maltoza. Određena vrijednost ekvivalenta glukoze odgovara određenom omjeru ovih proizvoda, a promjenom trajanja hidrolize i uvjeta njenog provođenja moguće je dobiti različite omjere pojedinih produkata hidrolize pri jednoj ili drugoj vrijednosti glukoze ekvivalent.
Pirinač. 11. Promjena sadržaja šećera tokom kisele hidrolize škroba
Hidroliza kiseline dugo je bila ključna u proizvodnji glukoze iz škroba. Ova metoda ima brojne značajne nedostatke povezane s upotrebom visokih koncentracija kiselina i visoke temperature, što dovodi do stvaranja produkata toplinske razgradnje i dehidracije ugljikohidrata i reakcije transglikozilacije.
2. Skrob se također hidrolizira djelovanjem amilolitičkih enzima. Grupa amilolitičkih enzima uključuje a- i b-amilaze, glukoamilazu i neke druge enzime. Amilaze su dvije vrste: endo- i egzoamilaze.
Jasno izraženo endoamilaza je a-amilaze sposoban da razbije intramolekularne veze u visokim polimernim lancima podloge. Glukoamilaza i b- amilaze su egzoamilaze, tj. enzimi koji napadaju supstrat s nereducirajućeg kraja.
a-amilaze, djelujući na cijelo zrno škroba, napada ga, otpušta površinu i formira kanale i žljebove, odnosno kao da cijepa zrno na komade (slika 12). Želatinizirani škrob se hidrolizira u njemu kako bi nastali proizvodi koji nisu obojeni jodom, uglavnom dekstrini niske molekulske mase. Proces hidrolize škroba je višestepeni. Kao rezultat djelovanja a-amilaze u prvim fazama procesa, u hidrolizatu se nakupljaju dekstrini, zatim se pojavljuju tetra- i trimaltoza koja nije obojena jodom, a koje se a-amilaze vrlo sporo hidroliziraju u di- i monosaharidi.
Pirinač. 12. Hidroliza skroba pomoću a-amilaze
Shema hidrolize škroba (glikogena) pomoću a-amilaze može se prikazati na sljedeći način:
b-amilaza je egzoamilaza koja pokazuje afinitet za pretposljednju a- (1,4) -vezu s nereducirajućeg kraja linearnog područja amiloze ili amilopektina (slika 13). Za razliku od a-amilaze, b-amilaza praktično ne hidrolizira prirodni škrob; želatinizirani škrob se hidrolizira u maltozu u b-konfiguraciji. Krug se može zapisati na sljedeći način:
Enzimska hidroliza škroba prisutna je u mnogim prehrambenim tehnologijama kao jedan od neophodnih procesa za osiguranje kvalitete finalnog proizvoda - u pečenju (proces pravljenja tijesta i pečenja kruha), proizvodnji piva (pravljenje pivske pivine, sušenje slada), kvasa (pravljenje hlebova od kvasa), alkohol (priprema sirovine za fermentaciju), razni proizvodi od šećera sa šećerom (glukoza, melasa, šećerni sirupi).
3. Kiselo-enzimska metoda hidrolize uključuje prethodnu obradu kiselinom, a zatim i djelovanje enzima a-, b- i (ili) glukoamilaze. Korištenje takve kombinirane metode hidrolize škroba otvara široke mogućnosti za dobivanje sirupa određenog sastava.
Hidroliza saharoze. Budući da se saharoza koristi kao sirovina u mnogim industrijama, potrebno je uzeti u obzir njenu izuzetnu sposobnost hidrolize. To se može dogoditi zagrijavanjem u prisutnosti male količine kiselina u hrani. Rezultirajući reducirajući šećeri (glukoza, fruktoza) mogu sudjelovati u reakcijama dehidracije, karamelizacije i stvaranja melanoidina, tvoreći obojene i aromatične tvari. U nekim slučajevima to možda nije poželjno.
Enzimska hidroliza saharoze pod djelovanjem b-fruktofuranosidaze (saharaza, invertaza) igra pozitivnu ulogu u brojnim prehrambenim tehnologijama. Kada b-fruktofuranosidaza djeluje na saharozu, nastaju glukoza i fruktoza. Zbog toga u konditorskim proizvodima (posebno u slatkišima od fondanta) dodatak b-fruktofuranozidaze sprječava ustajanje bombona, a u pekarskim proizvodima pomaže poboljšati aromu. Inverzija saharoze pod djelovanjem b-fruktofuranosidaze događa se u početnoj fazi proizvodnje grožđanih vina. Invertirani sirupi, dobiveni djelovanjem β-fruktofuranozidaze na saharozu, koriste se u proizvodnji bezalkoholnih pića.
Enzimska hidroliza neškrobnih polisaharida. Ova hidroliza se odvija pod djelovanjem enzima celulolitičkog, hemicelulaznog i pektolitičkog kompleksa. Koristi se u prehrambenoj tehnologiji za potpuniju preradu sirovina i poboljšanje kvalitete proizvoda. Na primjer, hidroliza neškrobnih polisaharida (pentosan, itd.) Tokom sladovanja važna je u kasnijem stvaranju obojenih i aromatičnih proizvoda (pri sušenju slada i stvaranju određenih organoleptičkih svojstava piva). U proizvodnji sokova i vinarstvu - za bistrenje, povećanje prinosa soka, poboljšanje uslova filtriranja.
Do hidrolize celuloze dolazi pod djelovanjem kompleksa celulolitičkih enzima. Prema modernim konceptima, hidroliza celuloze pod djelovanjem enzima celulolitičkog kompleksa može se predstaviti na sljedeći način:
Reakcije dehidracije i toplinske razgradnje ugljikohidrata... Prilikom prerade prehrambenih sirovina u prehrambene proizvode, ove reakcije zauzimaju važno mjesto. Kataliziraju ih kiseline i lužine, a mnoge od njih slijede put eliminacije b. Pentoze, kao glavni proizvod dehidracije, daju furfural, heksoze - oksimetilfurfural i drugi proizvodi poput 2-hidroksiacetilfuran, izomaltol i maltol... Fragmentacija ugljikovih lanaca ovih proizvoda dehidracije dovodi do stvaranja mravlje, mliječne, octene kiseline i brojni drugi spojevi. Neki od rezultirajućih proizvoda imaju određeni miris i stoga mogu prenijeti poželjnu ili, obrnuto, nepoželjnu aromu prehrambenom proizvodu. Ove reakcije zahtijevaju visoke temperature.
Reakcije koje se odvijaju tijekom toplinske obrade šećera mogu se podijeliti na one koje prolaze bez prekidanja C-C veza i na one koje prolaze s njihovim razbijanjem. Prvi uključuje reakcije anomerizacije:
i unutrašnja konverzija aldoze-ketoze, na primjer:
U složenim ugljikohidratima, poput škroba, pod teškim uvjetima zagrijavanja - piroliza na visokim temperaturama (200 ° C) - reakcije transglikozilacije igraju važnu ulogu. Pod ovim uvjetima, broj (1,4) -a-b-veza opada s vremenom, nastaju a (l, 6) -a-D- pa čak i (1,2) -b-D-veze.
Kada se glukoza dobije kiselom hidrolizom škroba, koja se obično izvodi u jako kiselom mediju na visokoj temperaturi, izomaltoza i gentiobijaza... Pojava takvih reakcija negativna je karakteristika kisele metode za proizvodnju glukoze.
Toplinska obrada nekih namirnica može proizvesti značajne količine anhidriranog šećera, posebno ako se radi o suho prerađenoj hrani koja sadrži polimere D-glukoze ili D-glukoze.
Reakcije s cijepanjem C-C veza dovode do stvaranja hlapljive kiseline, ketoni, diketoni, furani, alkoholi, aromatične tvari, ugljični monoksid i dioksid.
Reakcije stvaranja smeđih proizvoda... Postrojenje hrane može nastati kao rezultat oksidativnih ili neoksidativnih reakcija. Oksidativno ili enzimsko tamnjenje je reakcija između fenolnog supstrata i kisika, katalizirana enzimom polifenol oksidazom. Ovo tamnjenje, koje se javlja na komadima jabuka, banana, krušaka, nije povezano s ugljikohidratima.
Neoksidativno ili neenzimsko tamnjenje zastupljen u prehrambenim proizvodima vrlo široko. Povezan je s reakcijama ugljikohidrata i uključuje fenomen karamelizacija i interakcija ugljikohidrata s proteinima ili aminima... Ova druga je poznata kao Maillardova reakcija.
Karamelizacija. Izravno zagrijavanje ugljikohidrata, posebno šećera i šećernih sirupa, potiče kompleks reakcija tzv karamelizacija... Reakcije kataliziraju niske koncentracije kiselina, lužina i nekih soli. Time se proizvode smeđi proizvodi s tipičnim okusom karamele. Prilagođavanjem uvjeta moguće je usmjeriti reakcije uglavnom na dobijanje arome ili na stvaranje obojenih proizvoda. Umjereno (početno) zagrijavanje otopina šećera dovodi do anomernih promjena, pucanja glikozidnih veza i stvaranja novih glikozidnih veza. No glavni su reakcija dehidracije s stvaranjem bezvodnih prstenova. Kao rezultat, dihidrofuranoni, ciklopentanoloni, cikloheksanoloni, pironi Konjugirane dvostruke veze adsorbiraju svjetlost određenih valnih duljina, dajući proizvodima smeđu boju. Često se u nezasićenim prstenastim sistemima može pojaviti kondenzacija u polimernim prstenastim sistemima. Obično se saharoza koristi za proizvodnju boje i arome karamele. Zagrijavanjem otopine saharoze u prisutnosti sumporne kiseline ili kiselih amonijevih soli dobivaju se intenzivno obojeni polimeri. šećerne boje»Za upotrebu u raznim prehrambenim proizvodima - u proizvodnji pića, karamele itd. Stabilnost i topljivost ovih polimera povećava se u prisutnosti NSO 3 -iona:
Karamelni pigmenti sadrže različite grupe - hidroksil, kiselina, karbonil, enol, fenol Brzina reakcije stvaranja karamelnih pigmenata raste s povećanjem temperature i pH. U nedostatku puferskih soli, polimerni spoj humin gorkog ukusa ( prosečna formula C 125 H 188 O 90); u proizvodnji hrane to se mora uzeti u obzir i ne smije se dozvoliti da se formira.
Kompleks reakcija koje se odvijaju tijekom karamelizacije dovodi do stvaranja različitih prstenastih sistema jedinstvenog okusa i arome. Dakle, maltol i izomaltol imaju miris pečenog kruha, 2-N-4-hidroksi-5-metilfuranon-3-miris prženog mesa. Osim toga, ova hrana ima sladak okus, što također određuje njihovu pozitivnu ulogu u hrani.
Maillardova reakcija (stvaranje melanoida). Maillardova reakcija je prvi korak u neenzimskoj reakciji tamnjenja hrane. Reakcija zahtijeva reducirajući šećer, aminsko jedinjenje (aminokiseline, proteini) i malo vode.
Pirinač. 13.Shematski prikaz transformacija tokom tamnjenja prehrambenih proizvoda
Svi procesi koji se javljaju tokom potamnjivanja hrane (slika 13) još nisu precizno definirani, ali su početne faze detaljno proučene. Utvrđeno je da se, osim Maillardove reakcije, dehidracija javlja i stvaranjem oksimetilfurfurala, pucanjem lanca, stvaranjem dikarbonilnih spojeva, stvaranjem pigmenata melanoidina, koji se stvaraju u završnoj fazi i imaju boju od crveno-smeđe do tamnosmeđe. Ako je u prvim fazama moguće obezbojenje uz dodatak redukcijskih sredstava (na primjer, sulfita), onda u završnoj fazi to više nije moguće.
Ako je stvaranje smeđih pigmenata nepoželjno za prehrambene proizvode, moguće je inhibirati tekuće reakcije, na primjer, značajno smanjenje vlažnosti (za suhe proizvode), smanjenje koncentracije šećera (razrjeđivanje), pH i temperature (za tekuće proizvodi). Jedna od komponenti podloge (obično šećer) može se ukloniti. Na primjer, u proizvodnji jaja u prahu, glukoza oksidaza se dodaje prije sušenja kako bi se spriječila pojava mirisa, što dovodi do uništenja D-glukoze i stvaranja D-glukonske kiseline:
Osim uklanjanja šećera, vodikov peroksid nastao tijekom ovog procesa i povećanje temperature dovode do smanjenja bakterijske kontaminacije (vidi tablicu 3.8). Kako bi se spriječilo potamnjenje ribe koja sadrži značajne količine riboze, dodaju se bakterije s aktivnošću D-riboze oksidaze.
Sumpor -oksid (SO 2) i njegovi derivati potiskuju reakciju potamnjenja u prehrambenim proizvodima, međutim njihova je upotreba ograničena mogućnošću stvaranja blago otrovnih komponenti u sulfitiziranim prehrambenim proizvodima. Potraga za drugim inhibitorima nastavlja se, međutim, dosad pronađenim zamjenama ( cijanidi, dimedon, hidroksilamin, hidrazin, merkaptani, brom) su neprihvatljivi zbog toksičnosti. Međutim, ovaj način zaštite od tamnjenja ne sprječava proizvod da izgubi aminokiseline (na primjer, lizin), budući da se reakcija sa sulfitnim ionima događa u posljednjim fazama stvaranja melanoidina.
Oksidacija do aldonske, dikarboksilne i uronske kiseline... Sposobnost oksidacije aldoze važna je i za hranu. Pod određenim uvjetima moguća je oksidacija u aldonske kiseline, a b-oblik oksidira brže od a-oblika. Produkt oksidacije je b-lakton, koji je u ravnoteži s g-laktonom i slobodnim oblikom aldonske kiseline (slika 14). Potonji oblik prevladava pri pH 3.
14. Oksidacija D-glukoze
Glukono-b-lakton može biti prisutan u hrani u blago kiselom okruženju gdje dolazi do spore reakcije, kao što je pri pripremi određenih mliječnih proizvoda. Pod djelovanjem jačih oksidanata (na primjer dušične kiseline) nastaju dikarboksilne kiseline.
Oksidacija u uronske kiseline moguća je samo ako je karbonilna grupa zaštićena (slika 15).
Pirinač. 15. Oksidacija D-galaktoze u D-galakturonsku kiselinu
Jedna od industrijskih metoda za dobivanje glukuronske kiseline - oksidacija tijekom hidrolize škroba - prikazana je na Sl. 16.
Pirinač. 16. Jedna od industrijskih metoda za proizvodnju glukuronske kiseline
Uronske kiseline su uobičajene u prirodi. Neki od njih su strukturne komponente polisaharida koji su važni u prehrambenim procesima, poput geliranja i zgušnjavanja. pektin(D-galakturonska kiselina), alginska kiselina iz algi (D-mannuronska kiselina, a-guluronska kiselina).
Oksidacija katalizirana enzimima. Ovdje, prije svega, treba reći o oksidaciji glukoze pod utjecajem glukoza oksidaze.
Sa stanovišta primjene u prehrambenim tehnologijama, sistem glukoza oksidaze - katalaza je od interesa.
Glukoza oksidaza ima izuzetnu specifičnost za glukozu. Njegovo djelovanje prikazano je na dijagramu prikazanom na Sl. 17.
Pirinač. 17. Djelovanje glukoza oksidaze
Ova reakcija je efikasna metoda uklanjanje kisika iz pića (sokovi, pivo), budući da je kisik uključen u stvaranje peroksida i tvari koje dovode do promjene boje i mirisa proizvoda. Korištenje glukoza oksidaze omogućuje inhibiranje tijeka Maillardove reakcije.
Procesi fermentacije. Fermentacija- proces (u koji su uključeni ugljikohidrati) koji se koristi u brojnim prehrambenim tehnologijama: tijekom pripreme tijesta u proizvodnji kruha, u proizvodnji piva, kvasa, alkohola, vina i drugih proizvoda.
Alkoholna fermentacija provodi se zbog vitalne aktivnosti brojnih mikroorganizama. Najtipičniji organizmi za alkoholnu fermentaciju su kvasci iz roda Saccharomyces. Ukupna alkoholna fermentacija može se izraziti sljedećom jednadžbom:
Ova zbirna jednadžba ne odražava činjenicu da se obično, pored glavnih produkata fermentacije - etilnog alkohola i ugljičnog dioksida, i neke druge tvari uvijek stvaraju u neznatnim količinama, na primjer, jantar, limunska kiselina, kao i mješavina amilnog, izoamilnog, butilnog i drugih alkohola, octene kiseline, diketona, acetaldehida, glicerina i brojnih drugih spojeva čija prisutnost u tragovima određuje specifičnu aromu vina, piva i drugih alkoholnih pića .
Kvasac fermentira različite šećere različitim brzinama. Najlakše fermentirana glukoza i fruktoza, sporije - manoza, još sporije - galaktoza; pentoze ne fermentiraju kvasci. Od disaharida, dobar supstrat za alkoholnu fermentaciju je saharoza i maltoza... Međutim, oba šećera se fermentiraju tek nakon prethodne hidrolize u sastavne monosaharide pomoću enzima a-glikozidaze.
U prisutnosti kisika, alkoholna fermentacija prestaje i kvasac dobiva energiju potrebnu za njihov razvoj i život udisanjem kisika. Istodobno, kvasac troši šećer mnogo ekonomičnije nego u anaerobnim uvjetima. Prestanak fermentacije pod utjecajem kisika nazvan je " Pasterov efekat».
Druga vrsta fermentacije koja je važna za prehrambenu tehnologiju je fermentacija mliječnom kiselinom, u kojoj se od jedne molekule heksoze formiraju dvije molekule. mliječna kiselina:
C 6 H 12 O 6 = 2CH 3 -CHOH -COOH
Fermentacija mliječne kiseline ima vrlo važnu ulogu u proizvodnji proizvoda mliječne kiseline ( jogurt, acidofil, kefir, koumis), u proizvodnji kvasa, kvasa za kruh i " tečni kvasac»Za pečenje, za kiseljenje kupusa, krastavaca, za siliranje hrane.
Svi mikroorganizmi koji uzrokuju fermentaciju mliječne kiseline podijeljeni su na dva velike grupe... Prva grupa uključuje istinite mikroorganizme anaerobni i fermentiranje heksoza u strogom skladu sa gore sažetom jednadžbom fermentacije mliječne kiseline. Oni se nazivaju homofermentativne bakterije mliječne kiseline... Drugu grupu čine heteroenzimske bakterije mliječne kiseline, koji osim mliječne kiseline tvore značajne količine drugih proizvoda, posebno octene kiseline i etilnog alkohola.
Skrobni proizvodi slatkog okusa dobivaju se pomoću sposobnosti skroba da se otaloži pod djelovanjem kiselina i enzima. Tijekom kisele hidrolize škroba pod djelovanjem vodikovih iona dolazi do pucanja a-1,4- i a-1,6-glikozidnih veza. Na mjestu pucanja, vodikov atom vode s kisikom glikozidnog mosta tvori aldehidnu skupinu u polu -acetalnom obliku na prvom atomu ugljika u ostatku glukoze. S povećanjem broja prekida, smanjuje se sposobnost smanjenja hidrolizata. Krajnji proizvod kisele hidrolize škroba je glukoza. Izražava se konverzija škroba u glukozu opšta jednačina: Ovisno o uvjetima i trajanju kisele hidrolize, dobivaju se škrobni hidrolizati koji se razlikuju po sastavu ugljikohidrata: sadržaju dekstrina, tetra- i trisaharida, maltoze, glukoze.
Hidrolizati škroba sa visokim GE su slađi, higroskopni, povećavaju osmotski pritisak i imaju konzervativni efekat. Hidrolizati sa niskim GE odlikuju se visokim viskozitetom, efektom protiv kristalizacije i sposobni su stabilizirati pjene i emulzije.
Trenutno hidroliza škroba uz upotrebu enzima postaje sve važnija. Oni djeluju na specifičan način. Stoga se dobivaju hidrolizati s određenim sastavom ugljikohidrata. Hidrolizati škroba se također dobivaju kombiniranom kiselinsko-enzimskom metodom.
Opšte faze proizvodnje škrobnih hidrolizata su: priprema škroba za preradu - pranje, prečišćavanje od nečistoća; hidroliza škroba - želatinizacija, ukapljivanje i saharifikacija do željene faze (provjereno jodnim testom); neutralizacija kiseline ili inaktivacija enzima; pročišćavanje hidrolizata od netopljivih i topljivih nečistoća, uključujući boje; koncentracija - isparavanje proizvoda dobivenih u tekućem obliku, isparavanje i sušenje ili kristalizacija praškastih proizvoda.
Skrobni sirup
Skrobni sirup se proizvodi od skroba žitarica i krompira.
Melasa je proizvod nepotpune hidrolize škroba; je slatka, gusta, vrlo viskozna tečnost, bezbojna ili sa žućkastim nijansama. Melasa spada u glavne vrste sirovina za proizvodnju konditorskih proizvoda, koristi se za pripremu komercijalnih sirupa, u pekarstvu. Glavne tvari koje čine melasu: dekstrini, glukoza, maltoza. Smanjenje sposobnosti melase posljedica je glukoze i maltoze. Slatkoća melase i njena higroskopnost ovise o sadržaju glukoze. Melasa, u kojoj su redukcijske tvari uglavnom zastupljene maltozom, manje je higroskopna. Što je više dekstrina u melasi, to je veća njegova viskoznost i sposobnost odgode kristalizacije šećera.
Ovisno o namjeni, melasa se proizvodi s niskim šećerom, sa prosječnim stupnjem saharifikacije škroba - karameliziranog i visokog šećera - glukoze. Maseni udio reducirajućih tvari (u smislu suhe tvari,%) u melasi: niski šećer-30-34, karamel-34-44 i visoki šećer glukoza-44-60.
U slastičarskoj industriji melasa s niskim udjelom glukoze koristi se za proizvodnju proizvoda koji mogu lako apsorbirati vlagu iz okoliša - karamel, halva, a s povećanom - za proizvode koji se brzo suše tijekom skladištenja - ruž za usne, tučeni bomboni, keksi, itd. a na kvalitetu melase značajno utječe način hidrolize škroba.
Melasa kiselom hidrolizom. Prilikom dobivanja melase, hidroliza škroba pod djelovanjem klorovodične kiseline provodi se pri prekomjernom tlaku i temperaturi od oko 140 ° C.
Zajedno s glukozom, sirup za hidrolizu s niskim šećerom kiseline sadrži visokomolekularne dekstrine različitog stupnja polimerizacije, uključujući i one sa svojstvima bliskim škrobu. Takvi dekstrini sposobni su za brzu retrogradaciju. Melasa lako gubi prozirnost i postaje mliječna. Njegova visoka viskoznost i ljepljivost otežavaju proizvodnju karamela.
S dubljom kiselom hidrolizom škroba, uz njegovu saharifikaciju, javljaju se nuspojave reverzije i razgradnje glukoze. Poništavanje glukoze je reverzibilan proces njene polimerizacije s stvaranjem uglavnom disaharida - gentiobioze, izomaltoze i drugih, kao i trisaharida i složenijih oligosaharida: 
U hidrolizatima škroba, proizvodi preokreta glukoze mogu biti 5% ili više. Odlažu kristalizaciju saharoze u šećernim sirupima zbog povećanja topljivosti mješavine šećera.
Razlaganje glukoze tijekom hidrolize škroba posljedica je kisele reakcije medija i visoke temperature. U tim je uvjetima moguća dehidracija glukoze. Kada se tri molekule vode odvoje od glukoze, nastaje oksimetilfurfural - nestabilan 
spoj koji se može razgraditi na levulinsku i mravlju kiselinu. Kada se oksimetilfurfural polimerizira, stvaraju se žuto-smeđe boje.
Produkti razgradnje glukoze koji se akumuliraju u melasi pogoršavaju njen sastav, boju i povećavaju higroskopnost. Melasa sadrži 0,002-0,008% oksimetilfurfurala. Nečistoće prisutne u škrobu doprinose visokim temperaturama i drugim nuspojavama stvaranjem spojeva tamne boje. Melasa, kuhana u vakuumskom aparatu do 78% suhe tvari, brzo se hladi na 40-45 ° C. Kiselom metodom proizvodi se uglavnom karamel sirup - srednjeg stepena saharifikacije.
Visoko šećer - glukozni sirup dobiven kiselom hidrolizom nestabilan je tijekom skladištenja zbog kristalizacije glukoze. Gorkog je okusa zbog sadržaja reverzibilnih proizvoda, povećane boje.
Standardizirano (u smislu suhe tvari), pored reducirajućih tvari, sadržaj pepela - ne više od 0,4-0,55%, kiselost, ovisno o vrsti i vrsti škroba - od 12 do E7 ml 1 N. Rastvor NaOH, pH melase - ne niži od 4,6. Prilikom kuhanja uzorka karamele od melase, treba stvoriti prozirnu bombonu bez tamnih mrlja i pruga.
Enzimska melasa hidroliza. Proces hidrolize odvija se na niskoj temperaturi (oko 60 ° C). Koriste se enzimi proklijalih zrna žitarica, plijesni i bakterija. Amilolitički enzimi razgrađuju, ukapljuju i troše skrob. Oni djeluju posebno, stoga dobivaju hidrolizate s datim sastavom ugljikohidrata.
Enzim a-amilaza cijepa a-1,4-glikozidne veze uglavnom u sredini amiloznih i amilopektinskih makromolekula, tvoreći dekstrine niske molekulske mase i malo maltoze. P-amilaza također hidrolizira a-1,4-glikozidne veze škroba, ali sekvencijalno cijepa dva ostatka glukoze-maltozu s nereducirajućih krajeva lanaca. Ovaj enzim gotovo potpuno hidrolizira amilozu, amilopektin-za 50-55%, budući da prestaje djelovati na grane molekula s a-1,6-vezom, ostavljajući dekstrine visoke molekulske mase neociječenima. Glukoamilaza potpuno hidrolizira škrob.
/ Sirup sa niskim šećerom za enzimsku hidrolizu koristiti enzim a-amilaze. Melasu karakterizira nizak sadržaj reducirajućih tvari, posebno glukoze. Sastoji se uglavnom od dekstrina niske molekulske mase. pH na 5,6. Ova melasa ostaje bistra i tekuća tijekom skladištenja. Koristi se u proizvodnji niskohigroskopske karamele i drugih konditorskih proizvoda za koje je važno smanjenje higroskopnosti.
Melasa sa visokim sadržajem šećera nastaje kiselo-enzimskom hidrolizom. Prvo se škrob hidrolizira kiselinom do sadržaja 42-50% reducirajućih tvari, zatim se enzimski pripravak a-amilaze dodaje neutraliziranom hidrolizatu ohlađenom na 55 ° C i sadržaj glukoze se podešava na 41-43%. Ova metoda smanjuje stvaranje produkata reverzije i razgradnje glukoze. Melasa ima čisti slatki okus. Može se koristiti za djelomičnu zamjenu šećera u proizvodnji sljeza, slatkiša od fondanta i drugih proizvoda.
Visoko šećerni sirup s većim sadržajem glukoze (47%) i ukupnom količinom reducirajućih tvari (68-75%) može se dobiti upotrebom enzima gluko-amilaze. Ova melasa se koristi u pečenju i pivarstvu.
U Sladni sirup poznatiji kao proizvod koji se dobiva od škroba i sirovina koje sadrže škrob-kukuruza, prosa, visokokvalitetnog brašna. Za saharifikaciju škroba dodaje se slad koji sadrži enzim p-amilaze koji tvori slad. Boja ove melase je smeđa, miris je blago sladan, okus je sladak, sa sladnim okusom. Reducttrugotdtgh substance "sadrži ne manje od 65%, pepeo - ne više od 1,3% u smislu suhe tvari. Maltozni sirup koristi se u pečenju ili kao slatki sirup. Razvijena je nova tehnologija za proizvodnju maltoznog sirupa. Pripremaju se od škroba pomoću enzimskih pripravaka. Zbog niskog sadržaja glukoze (do 10%), maltozni sirup dobiven na ovaj način je nisko higroskopan, ima nisku viskoznost i pogodan je za izradu slatkiša od karamele.
Sirup s visokom količinom maltoze koristi se za dobivanje novih proizvoda - hidrogeniranih škroba. Ovisno o ugljikohidratnom sastavu melase, ovi sirupi sadrže maltitol, sorbitol i polihidrične alkohole. Slađi su od originalne melase. Što se tiče slatkoće, maltitol otprilike odgovara saharozi, tijelo ga ne apsorbira, pa se može koristiti u proizvodnji visokokaloričnih prehrambenih proizvoda. Dekstrino-maltozni sirup dobiveni uglavnom iz krompirovog škroba pod djelovanjem enzima ekstrakta slada. To je viskozna gusta tekućina žućkasto-žute boje s mirisom i okusom slada, sadrži približno jednake količine maltoze i dekstrina, malo glukoze (ne više / tj. 10% težine melase suhe tvari).
Maltoza-dekstrin sirup proizvodi se sa sadržajem suhe tvari od 79 ili 93% (suho). Ova melasa se koristi za pripremu proizvoda za prehranu male djece - mliječne formule i drugi.
Maltz- ekstrakt - dijetetski prehrambeni proizvod, koji je ekstrakt kuhane vode samog slada.
Skladištenje i transport škrobnog sirupa. Treacle se skladišti u spremnicima kapaciteta do 2000 tona čija je unutrašnja površina premazana lakom za hranu. Prevozi se u željezničkim cisternama, drvenim i metalne bačve sa unutrašnjim premazom laka ^ li sa cinkom. Treacle je pakiran u staklene posude.
Tijekom skladištenja neprihvatljivo je da vlaga ulazi u melasu jer se lako upija na mjestima ukapljivanja. Visoke temperature skladištenja potamnjuju melasu i potiču fermentaciju. Melasu treba skladištiti na temperaturi od oko 10 ° C i relativnoj vlažnosti do 70%. Maltodekstrini. Proizvodi enzimske hidrolize škroba uključuju i maltodekstrine - polimere, čija se molekula sastoji od pet do deset ostataka glukoze. Udio reducirajućih tvari u maltodekstrinu je oko 5-20%. Maltodekstrini su bez ukusa, bez mirisa; pri koncentraciji većoj od 30% / tvore viskozne otopine sposobne usporiti kristalizaciju. Maltodekstrini se koriste kao punila u proizvodnji hrane. Želatinski maltodekstrin maltin može se topiti poput masti. Njegov gel stvara stabilne emulzije. Maltin se koristi kao dodatak u proizvodnji sladoleda i kremova.
Enzimska hidroliza škroba
Glavni proces u preradi sirovina koje sadrže škrob u fermentacijskim postrojenjima je hidroliza škroba amilolitičkim enzimima slada i enzimskim pripravcima. Ugljikohidratni dio škroba sastoji se od dva polisaharida: amiloze i amilopektina.
Amiloza i amilopektin izgrađeni su od ostataka glukoze C 6 H 10 O 5. Amiloza ima molekulsku težinu 3 · 10 5 - 1 · 10 6, molekulska težina amilopektina dostiže stotine miliona. Dijagram strukture molekula amiloze predstavljen je u obliku dugog lanca glukoznih ostataka povezanih glukozidnim α-1,4-vezama. Nekoliko takvih paralelnih lanaca povezano je u molekulu amiloze. U svakom od njih ostaci glukoze raspoređeni su spiralom. Dijagram strukture molekula amilopektina predstavljen je u obliku razgranatog lanca, koji se sastoji od velikog broja ostataka glukoze (oko 2500). Glavni lanac, na koji su pričvršćene bočne grane, sastoji se od 25 do 30 ostataka glukoze. Svaka pojedina bočna grana sastoji se od 15 - 18 ostataka, a segmenti unutrašnjeg lanca (između grana) - od 8 - 9 takvih ostataka. Bočni lanci su pak povezani sa susjednim lancima. U amilopektinu su ostaci glukoze unutar jednog lanca međusobno povezani, kao u amilozi, α-1,4-vezom. No, veza između pojedinih lanaca u amilopektinu je izvedena α-1,6-glukozidnim vezama.
Enzimska hidroliza škroba se vrši pomoću amilolitičkih enzima. Amilolitički kompleks slada (klijavo zrno) sastoji se od α- i β-amilaze i dekstrinaze (oligo-α-1,6-glukozidaza). Enzimski pripravci sadrže α-amilazu, oligo-α-1,6-glukozidazu i glukoamilazu. Svaki enzim ima svoje specifične karakteristike koje određuju određene kvalitativne karakteristike dobivenih proizvoda.
α-amilaza je endozim koji hidrolizira α-1,4-veze unutar molekula amiloze i amilopektina. Mehanizam djelovanja enzima je višelančan, neuređen; Kao rezultat toga nastaju produkti nepotpune hidrolize škroba-α-dekstrini, pa se α-amilaza naziva enzimom za dekstrinaciju. S produljenim djelovanjem α-amilaze na amilozu, enzim ju gotovo potpuno pretvara u maltozu i malu količinu glukoze.
Djelovanje α-milaze na amilopektin dovodi do stvaranja maltoze i dekstrina niske molekularne mase s 5 do 8 ostataka glukoze. Ovakvo ponašanje α-amilaze posljedica je činjenice da enzim ne djeluje na α-1,6-glukozidne veze u granama makromolekula amilopektina.
β-amilaza je egzoenzim koji hidrolizira α-1,4-veze iz nereducirajućih krajeva molekula amiloze i amilopektina u tvorbu maltoze. To je enzim koji stvara šećer i ne cijepa α-1,6 veze.
Kombiniranim djelovanjem α- i β-amilaza na škrob, 95% se pretvara u maltozu, a 5% u granične dekstrine niske molekularne mase koji sadrže α-1,6-glukozidne veze.
Slad od prosa i zobi sadrži enzim dekstrinazu, koji razbija α-1,6-glukozidnu vezu u amilopektinu i ograničava dekstrine.
Glukoamilaza je egzoenzim koji cijepa i α-1,4- i α-1,6-glukozidne veze. Djelujući iz nesvodljivih krajeva molekula amiloze i amilopektina, glukoamilaza cijepa molekul glukoze u β-obliku.
Glavni faktori koji utječu na brzinu enzimskih reakcija su temperatura, pH, koncentracija tvari u supstratu i enzimi. Kako temperatura raste, enzimska hidroliza škroba se ubrzava, međutim, nakon postizanja određene temperature, enzimi se inaktiviraju.
β-amilaza ječmenog slada ima nisku toplotnu stabilnost pri zagrijavanju na 70 ° C, uništava se; termička inaktivacija ovog enzima na 70 ° C gotovo je potpuno završena za nekoliko minuta.
α-amilaza ječmenog slada ima veću toplinsku stabilnost i razgrađuje se na temperaturi od oko 80 ° C.
Optimalna temperatura za β-amilaze u kaši je 63 ° C, a za α amilaze 70 ° C. V optimalni uslovi jedna molekula β-amilaze može hidrolizovati 237.000 veza u minuti.
Optimalna temperatura za djelovanje glukoamilaze mikroskopskih gljivica i bakterija je 55 - 60 ° C. α-amilaza enzimskih pripravaka bakterijskog porijekla ima visoku termičku stabilnost. Optimalna radna temperatura mu je 85 - 95 ° C.
Svaki enzim ima pH optimum pri kojem je najaktivniji; pri višim ili nižim pH vrijednostima, aktivnost enzima se smanjuje. Maksimalna aktivnost α-amilaze javlja se pri pH 5,7, a β-amilaze-pri pH od oko 4,8. pri pH 2,3 i 9,7, amilaze su potpuno inaktivirane.
Optimalna pH vrijednost za α -amilaze mikroskopskih gljiva je 4,5 - 5,0, za glukoamilazu - 4,5 - 4,6, za bakterijsku α -amilazu - 5,0 - 6,0.
Brzina enzimske reakcije raste s povećanjem koncentracije enzima, ali do određene granice. Prije stvaranja 75 - 80% teorijske količine maltoze (79,1 - 84,4 g iz 100 g škroba), reakcija saharifikacije se odvija brzo, a zatim naglo usporava: ide 1000 puta sporije nego na početku cijepanja .
Povećanjem koncentracije ekstraktiva u supstratu usporava se enzimska hidroliza škroba. To je zbog činjenice da se povećanjem koncentracije tvari povećava viskoznost kaše, zbog čega proces difuzije između supstrata i enzima postaje teži.
Hidrolizu škroba obično se prati bojom koju daju međuproizvodi hidrolize s jodom. Bojanje nastaje kao rezultat rasporeda molekula joda unutar spiralnih zavoja ostataka glukoze. Boja nastalih spojeva je posljedica dužine lanca glukoznih ostataka.
Skrob sa jodom daje plavu boju. Najbliže skrobu, najveći dekstrini - amilodekstrini (molekulske mase 10.000 - 12.000) obojeni su jodom u ljubičasto -plavoj boji; manji dekstrini - eritrodekstrini (molekulska težina 4000 - 7000) - crveno -smeđi; najmanji - ahrodekstrini i maltodekstrini (molekulske mase 2900 - 3700) uopće se ne boje.
Sirovi neželatinizirani škrob razgrađuje se amilazima, ali vrlo sporo. Napad amilolitičkih enzima povećava se kada djeluju na želatinizirani škrob. Kako bi se ubrzao proces želatinizacije i otapanja škroba zrnatih proizvoda, preporučljivo je podvrgnuti ih prethodnoj toplinskoj obradi parenjem pod pritiskom. Kada se zagrije s vodom, škrob prelazi iz krutog u želatinozno stanje - želatinizira se. U tom slučaju dolazi do bubrenja zrna škroba (granula), nakon čega slijedi njihovo pucanje i disperzija.
Kako temperatura raste, pasta počinje da se ukapljuje, a zatim postaje tečna.
Dakle, tijekom hidrolize škroba moraju se razlikovati tri faze: želatinizacija, ukapljivanje i saharifikacija.
Zahtjevi za enzimsku hidrolizu škroba u fermentacionim postrojenjima su različiti. Dakle, u proizvodnji alkohola nastoje dobiti najveću moguću količinu fermentirajućih šećera, budući da dekstrini nisu direktno fermentirani kvascem. U uvjetima proizvodnje alkohola, saharifikacija dekstrina događa se u fazi fermentacije, kada je već večina maltoza je fermentirana. Ovaj proces je od velikog značaja u smislu dobijanja najvećeg prinosa alkohola iz skroba. Stoga je vrlo važno da enzimi koji sahariziraju zadrže svoju aktivnost do kraja fermentacije.
U pivarskoj industriji hidroliza škroba mora se provoditi tako da osim maltoze u sladovini postoji i određena količina akro- i maltodekstrina, koji određuju punoću okusa i viskoznost piva. Za sorte svijetlog piva hidroliza škroba provodi se dok se ne stvori 80-85% fermentirajućih šećera i 15-20% dekstrina, koji nisu obojeni jodom.
ETHANOL PRODUCTION
Svjetsko tržište etanola iznosi oko 4 milijarde decalitara (decalitra apsolutnog alkohola) godišnje. Lideri u proizvodnji etanola su SAD, Brazil i Kina. U SAD -u postoji 97 pogona za proizvodnju etanola iz kukuruza (u izgradnji je još 35 pogona) ukupnog kapaciteta 1,5 milijardi decalitara godišnje.
Glavni pravci upotrebe etanola u svjetskoj praksi:
- 60% - dodatak motornom gorivu;
− 25% − hemijska industrija;
- 15% - prehrambena industrija (njen udio se smanjuje).
Automobilska goriva na bazi etanola sadrže 10% etanola (gorivo E-10) ili 85% etanola (E 85). Sa cijenom nafte od 60-70 dolara po barelu, bioetanol postaje konkurentno gorivo. Uvođenje etanola u benzin eliminira potrebu za dodavanjem tetraetil olova u gorivo, zbog čega se smanjuje toksičnost ispušnih plinova i potrošnja goriva.
U Sjedinjenim Državama provode se opsežna istraživanja o proizvodnji bioetanola iz obnovljivih biljnih materijala (iz stabljika kukuruza, trske itd.)
U industrijskim uslovima etanol se dobija hidratacijom etilena u prisustvu katalizatora (H 3 PO 4 na silika gelu), iz hidrolizata biljnih sirovina (drvo, stabljike kukuruza, trska), kao i iz sirovina koje sadrže škrob. materijali (pšenica, raž, tritikale, krompir), melasa, mliječni serum, jeruzalemska artičoka. Prosječan prinos 95,5% etilnog alkohola sa 1 tone različite vrste sirovine su predstavljene u tabeli 2.1.
Tabela 2.1
Prinos etanola iz različitih vrsta sirovina
Kraj tabele 2.1
U destilerijama Republike Bjelorusije (postoji oko 70 destilerija ukupnog kapaciteta više od 9 miliona decalitara godišnje), sirovine koje sadrže škrob, uglavnom žitarice, koriste se za proizvodnju etanola. Sadržaj skroba u različitim vrstama žitarica je (u%): pšenica - 48–57; raž - 46-53; ječam - 43–55; zob - 34–40; proso - 42-60; kukuruz - 61–70. Zrno takođe sadrži (u proseku) šećer ~ 3%; vlakna ~ 6%; pentozani i pektinske tvari ~ 9%; dušične (proteinske) tvari ~ 11%, masti ~ 3%.
Proizvođači etanola
U mikrobiološkoj sintezi, klasični proizvođači etanola su kvasci - saharomiceti i šizosaharomiceti. Najčešće se koristi kvasac Saccharomyces cerevisiae,Saccharomyces vini,Schizosaccharomyces pombe.
Saharomicete imaju ćelije okruglog oblika Veličina 10-15 mikrona, reproducira se pupanjem. Schizosaccharomycetes imaju velike ćelije u obliku štapa promjera 4-5 mikrona i dužine 18-20 mikrona, pomnožene podjelom. Oba kvasca dobro fermentiraju glukozu, manozu, fruktozu, saharozu, maltozu, teže fermentiraju galaktozu i ne fermentiraju pentozne šećere (ksilozu, arabinozu).
Teoretski prinos etanola iz 100 kg fermentirane glukoze je 51,14 kg ili 64,80 l (time se proizvodi 48,86 kg CO 2). U praksi, prinos alkohola iznosi 82-92% od teoretskog zbog potrošnje dijela supstrata za reprodukciju i rast kvasca i stvaranje nusproizvoda.
Sinteza etanola u ćeliji kvasca provodi se prema sljedećoj shemi:
Nusproizvodi alkoholne fermentacije su glicerin, viši (topljivi) alkoholi, organske kiseline (octena, piruvična, mliječna, jantarna), aldehidi. U alkoholnoj fermentaciji šećer (glukoza) se troši na stvaranje različitih tvari u sljedećoj količini: etanol - 46-47%, ugljični dioksid - 44-46%, biomasa kvasca - 1,8-4,0%, glicerin - 3-4% , viši alkoholi - 0,3-0,7%, organske kiseline - 0,2-1,0%, aldehidi - 0,1-0,2%. S ponovljenim vraćanjem kvasca na fermentaciju, smanjuje se potrošnja šećera za stvaranje biomase, a intenzitet fermentacije čak se neznatno povećava.
Nastanak glicerola tijekom alkoholne fermentacije objašnjava se činjenicom da se tijekom indukcijskog razdoblja (prije stvaranja acetaldehida) javlja reakcija dismutacije između dvije molekule fosfoglicernog aldehida pod djelovanjem enzima aldehid mutaze uz učešće molekule vode . U tom se slučaju jedna molekula fosfoglicernog aldehida reducira u tvorbu fosfoglicerola, dok se druga oksidira u 3-fosfoglicerinsku kiselinu. Fosfoglicerin ne sudjeluje u daljnjim reakcijama ni nakon cijepanja fosforna kiselina je nusprodukt alkoholne fermentacije. 3-fosfoglicerna kiselina prolazi kroz transformaciju putem EMF-a sa stvaranjem acetaldehida. Nakon pojave acetaldehida započinje stacionarno razdoblje fermentacije u kojem oksidacija fosfoglicernog aldehida u fosfoglicernu kiselinu teče na složeniji način, uz dodatak anorganskog fosfata (EMF putanja). S tim u vezi, uz etanol, tijekom fermentacije uvijek se stvara određena količina glicerina.
Prilikom vezanja acetaldehida s bisulfitom, proces fermentacije usmjeren je prema stvaranju glicerina:
C 6 H 12 O 6 ® CH 3 CHO + CO 2 + CH 2 OH-CHOH-CH 2 OH.
U alkalnom okruženju, molekula acetaldehida ulazi u redoks reakciju s drugom molekulom, tvoreći etanol i octenu kiselinu. Istodobno se nakuplja glicerol. Ukupno, proces je izražen sljedećom jednadžbom:
2C 6 H 12 O 6 + H 2 O ® 2CH 2 OH-CHOH-CH 2 OH + C 2 H 5 OH + CH 3 COOH + 2CO 2.
Ove se tehnike koriste za industrijsku proizvodnju glicerina.
Viši alkoholi nastaju iz aminokiselina (u manjoj mjeri iz keto kiselina) sadržanih u fermentacijskom mediju kao rezultat uzastopnih reakcija deaminacije aminokiselina, dekarboksilacije nastalih keto kiselina i redukcije aldehida.
Od viših alkohola u kaši postoje: propil (nastao od treonina), izobutil (od valina), amil (od izoleucina) i izoamil (od leucina).
 |
Trenutno je u tijeku intenzivna potraga za netradicionalnim mikroorganizmima koji proizvode etanol sposobnim fermentirati širok raspon podloga s visokom produktivnošću etanola i povećanom otpornošću na etanol i visoke temperature. Bakterije koje sintetiziraju etanol su od interesa. Na primjer, bakterije Zymomonas mobilis razlikuju se od kvasca po intenzivnom metabolizmu: imaju visoku specifičnu brzinu pretvaranja glukoze u etanol, pružaju veći prinos etanola (do 95% od teoretski mogućeg) i otpornije su na alkohol. Ali ove bakterije su osjetljive na prisutnost inhibitora (furfural, fenoli) u hranjivim medijima i zahtijevaju aseptičnu fermentaciju.
Termofilne bakterije Clostridium thermocellum(optimalna temperatura rasta 68 ° C) mogu direktno pretvoriti celulozu biljnih sirovina u etanol, ali se sirovina mora osloboditi lignina. Još uvijek nije bilo moguće postići visok prinos alkohola izravnom konverzijom biljnih sirovina.
Sojevi kvasca sposobni fermentirati pentozne šećere ( Pachysolen tannophilus, Pichia stipitis, Candida shehata). Prinos etanola tokom fermentacije 100 kg ksiloze doseže 35-47 litara.
U domaćoj praksi proizvodnje etanola od sirovina koje sadrže škrob koristi se kvasac Saccharomyces cerevisiae s optimalnom temperaturom fermentacije od 29-30 ° C.
Enzimska saharifikacija škroba
Tradicionalni proizvođači etanola nisu sposobni cijepati polisaharide, pa se pri prijemu sladovine sirovine koje sadrže škrob podvrgavaju vrenju i saharifikaciji. Većina biljnog škroba sadrži 20-25% amiloze i 80-75% amilopektina. U biljnim ćelijama skrob je u obliku zrna (granula), čija se veličina kreće od 1 do 120 mikrona (krompirov skrob ima granule od 40-50 mikrona, granule zrna skroba-10-15 mikrona). Skrob, amiloza i amilopektin su nerastvorljivi u hladnom vodom, alkohol, eter. Amiloza se lako rastvara toplu vodu, amilopektin - pri zagrijavanju pod pritiskom. Mrežna struktura molekula amilopektina uzrokuje oticanje škrobnih granula bez njihovog otapanja (sekundarne veze oslabljuju hidratacijom). Na određenoj temperaturi granule olabave, veze između pojedinih elemenata konstrukcije se prekinu, integritet granula je narušen. Istodobno, viskoznost otopine naglo raste - dolazi do želatinizacije škroba. Za pastu je karakterističan neuredan raspored molekula, gubitak kristalne strukture. Na temperaturi od 120-130 ° C, pasta postaje lako pokretna. Najpotpunije otapanje amilopektina događa se u pšeničnom škrobu na 136-141 ° C, u krompirovom skrobu - na 132 ° S.
Skrob otopljen tokom vrenja zrna ili krompira hidrolizuje se (saharifikuje) amilolitičkim enzimima iz zrna slada ili kulturama mikroorganizama, uglavnom gljivičnih bakterija i bakterija. Od biljnih materijala, najzastupljeniji amilolitički enzimi su klijave žitarice zvane slad. Trenutno, u industriji alkohola, enzimski pripravci na bazi kultura nitastih gljiva (ili bakterija iz roda) Bacillus), koje imaju niz prednosti u odnosu na slad. Kulture nitastih gljiva uzgajaju se na pšeničnim mekinjama ili kukuruznom brašnu, dok je za proizvodnju slada potrebno uslovno zrno. S sladom se strani mikroorganizmi unose u sladovinu u velikim količinama, što negativno utječe na prinos etanola. Duboke kulture gljiva uzgajaju se u sterilnim uvjetima; ne zagađuju sladovinu stranim mikroorganizmima. Uzgoj površinske kulture gljiva odvija se mnogo brže (1,5-2,0 dana) nego što se klijanje zrna nastavlja (9-10 dana). Gljive tvore kompleks enzima koji dublje hidroliziraju škrob, a također razlažu hemiceluloze na monosaharide, što povećava prinos etanola iz sirovina.
U saharifikaciju sirovina koje sadrže škrob uključeni su različiti enzimi. Najveći vrijednost proizvodnje imaju amilaze. α- i β-amilaze kataliziraju cijepanje samo α-1,4-glukozidnih veza. Pod djelovanjem α-amilaza, veze se nasumično prekidaju, ali uglavnom unutar lanaca. Rezultat su uglavnom dekstrini, male količine maltoze i oligosaharida. Na osnovu prirode djelovanja, α-amilaza se naziva endogena ili dekstrinogena amilaza.
Djelovanje β-amilaze usmjereno je na krajnje (vanjske) veze u škrobu, dok se sukcesivno, počevši od nereducirajućih krajeva lanaca, odvajaju dva ostatka glukoze (maltoza). β-amilaza ne može zaobići mjesta grananja u makromolekuli škroba, pa se hidroliza zaustavlja na pretposljednjoj α-1,4-glukozidnoj vezi, a dekstrini velike molekulske mase ostaju tijekom hidrolize amilopektina. Amiloza se gotovo potpuno pretvara β -amilazom u maltozu, amilopektin - samo za 50–55%.
Kao rezultat kombiniranog djelovanja α- i β-amilaza, nastaje mješavina saharida, koja se sastoji od maltoze, male količine glukoze i dekstrina niske molekulske mase, u kojoj su sve α-1,6-glukozidne veze škroba su koncentrisane.
Bakterijama i mikroskopskim gljivama nedostaje β-amilaze, ali sadrže aktivnu α-amilazu, koja se po sastavu aminokiselina razlikuje po proteinu i specifičnosti djelovanja. Konkretno, kada mikroskopske gljivice katalizira α-amilaze, nastaju velike količine glukoze i maltoze. Među bakterijskim amilazima postoje i šećerne i dekstrinogene amilaze. Prvi hidroliziraju škrob za 60% ili više, drugi za 30-40%. Mikrobne α-amilaze, poput sladnih α- i β-amilaze, ne napadaju α-1,6-glukozidne veze.
Mikroskopske gljive sadrže glukoamilazu, koja katalizira razbijanje α-1,4- i α-1,6-glukozidnih veza u škrobu. Kada ih katalizira ovaj enzim, ostaci glukoze se uzastopno odvajaju od nereducirajućih krajeva amiloze i amilopektina. Molekula vode se pridružuje na mjestu pucanja veze, pa je teoretski prinos glukoze u procesu hidrolize 111,11% masenog udjela škroba.
Tri su vjerovatni načini interakcija enzima sa supstratom (koji sadrži veliki broj lanaca): višelančani, jednolančani i kombinovani.
U višelančanoj metodi, molekula enzima nasumično napada jedan od polisaharidnih lanaca, odvajajući vezu od njega, a zatim nasumično napada i sljedeće lance, uključujući, vjerovatno, prethodno napadnuti. Tako se tijekom postojanja kompleksa enzim-supstrat događa samo jedan katalitički čin.
U metodi s jednim lancem, molekula enzima, nasumičnim napadom na jedan od polisaharidnih lanaca, uzastopno cijepa veze s njega sve dok se lanac potpuno ne razdvoji. Tokom postojanja kompleksa enzim-supstrat, sve veze dostupne za enzim se hidroliziraju.
Kombinirana metoda ili metoda višestrukog napada sastoji se u činjenici da se nekoliko veza hidrolizira tijekom postojanja kompleksa enzim-supstrat. U tom slučaju, nakon cijepanja jedne veze, enzim se ne odbija, već odgađa. Napad se događa naizmjeničnim jednolančanim i višelančanim metodama.
Studije su pokazale da α- i β-amilaze izvode hidrolizu prema metodi višestrukog napada (metoda s više lanaca tipična je za bakterijsku α-amilazu).
U domaćim destilerijama za saharifikaciju sirovog škroba koristi se sirovi (neosušeni) slad u obliku sladovog mlijeka, enzimski pripravci (glukavamorin, amilorizin, amilosubtilin) različitih nivoa aktivnosti ili mješavina sladnog mlijeka i enzimski pripravak.
Tehnologija proizvodnje slada uključuje sljedeće glavne procese: namakanje sirovina sa sadržajem vlage od 38-40%; klijanje zrna 10 dana u pneumatskoj sladari u sloju debljine 0,5-0,8 m; mljevenje slada u disk ili čekić drobilicama; dezinfekcija slada s otopinom formalina ili izbjeljivača i priprema sladovog mlijeka. Sladno mlijeko dobiva se miješanjem zdrobljenog slada s vodom (4-5 litara vode po 1 kg slada).
Slad napravljen od različitih zrna sadrži različite količine svakog od amilolitičkih enzima. Na primjer, ječmeni slad ima visoku α- i β-amilolitičku aktivnost, dok slad od prosa ima snažnu dekstrinolitičku aktivnost. Najčešće se priprema mješavina tri vrste slada: ječma (50%), prosa (25%) i zobi (25%). Nemojte koristiti slad iz iste kulture pri proizvodnji alkohola iz iste kulture.
Pročitajte:
|
Skrob je glavni rezervni polisaharid u biljkama i najvažnija je ugljikohidratna komponenta prehrane. Skrob se skladišti u sjemenkama žitarica, gomoljima, rizomima u obliku škrobnih zrna, koja, ovisno o vrsti biljke, imaju različit oblik (sferičan, jajolik, lećasti ili nepravilni) i veličinu (1 do 150 mikrona, u prosjeku 30 -50 mikrona).
Zrna škroba različitih biljnih vrsta:
A - krompir; B - pšenica; B - zob; G - pirinač; D - kukuruz; E - heljda.
1 - jednostavno skrobno zrno, 2 - složeno, 3 - polukompleksno.
Skrob ima složenu strukturu i sastoji se od dva homopolisaharida: amiloze rastvorljive u vodi i nerastvorljivog amilopektina. Njihov omjer u škrobu može se razlikovati ovisno o biljci i vrsti tkiva iz kojeg je izolirano (amiloza 13-30%; amilopektin 70-85%).
Amiloza se sastoji od nerazgranatih (linearnih) lanaca koji sadrže 200-300 glukoznih ostataka povezanih α (1 → 4) glikozidnom vezom. Zbog α-konfiguracije na C-1, lanci tvore spiralu promjera 13 nm, u kojoj ima 6-8 ostataka glukoze po okretu. Molekulska težina je 50.000 Da.
Amilopektin ima razgranatu strukturu u kojoj u prosjeku jedan od 20-25 ostataka glukoze sadrži bočni lanac povezan α (1 → 6) glikozidnom vezom. U tom slučaju nastaje struktura nalik drvetu. Molekularna težina je do 1-6 miliona.
Hidroliza škroba prisutna je u mnogim prehrambenim tehnologijama kao jedan od neophodnih procesa za osiguranje kvalitete konačnog proizvoda. Na primjer:
U pekari - postupak pravljenja tijesta i pečenje kruha;
U proizvodnji piva - dobivanje pivske pivine i sušenje slada;
U proizvodnji kvasa;
U proizvodnji alkohola - priprema sirovina za fermentaciju;
U dobivanju raznih proizvoda sa zašećerenim škrobom - glukoze, melase, šećernih sirupa.
Postoje dvije metode hidrolize škroba:
Kisela - pod uticajem mineralnih kiselina;
Enzimski - pod utjecajem enzimskih pripravaka.
Tijekom hidrolize škroba pod djelovanjem kiselina najprije dolazi do slabljenja i razbijanja asocijativnih veza između makromolekula amiloze i amilopektina. To je popraćeno kršenjem strukture škrobnih zrna i stvaranjem homogene mase. Nadalje, dolazi do pucanja α (1 → 4) i α (1 → 6) -glikozidnih veza s dodatkom na mjestu pucanja molekula vode. Tijekom hidrolize povećava se broj slobodnih aldehidnih grupa, a smanjuje se stupanj polimerizacije. U srednjim fazama nastaju dekstrini, tri i tetrasugari, maltoza. Krajnji proizvod hidrolize je glukoza. Hidroliza kiseline ima niz značajnih nedostataka uzrokovanih upotrebom visokih koncentracija kiselina i visokih temperatura (preko 100 ° C), što dovodi do stvaranja produkata toplinske razgradnje i dehidracije ugljikohidrata, transglikozilacije i povratnih reakcija.
U usporedbi s kiselom hidrolizom, enzimska hidroliza više obećava i ima sljedeće prednosti:
1) Visoka kvaliteta proizveden proizvod, jer stvara se manje nusproizvoda;
2) Specifičnost djelovanja enzima omogućava dobijanje proizvoda sa određenim fizičkim svojstvima (na primjer, slatkoća);
3) Ostvaren visok prinos proizvoda uz niže ekonomske troškove.
Enzimska hidroliza škroba provodi se pomoću amilolitičkih enzima. Ova grupa uključuje α-amilaze, β-amilaze, glukoamilaze, pullulanaze i neke druge enzime. Svaki od njih ima svoje specifične karakteristike.
α-amilaze- endoenzim koji hidrolizira α (1-4) -glikozidne veze unutar molekula amiloze ili amilopektina, rezultirajući stvaranjem dekstrina - produkata nepotpune hidrolize škroba i male količine glukoze i maltoze:
α-amilaza se nalazi u životinjama (slina i gušterača), u višim biljkama (klijavo sjeme ječma, pšenice, raži, prosa) i u mikroorganizmima (gljive iz roda Aspergillus, Rhizopus, bakterije iz roda Bacillus subtilis).
β-amilaze-egzoenzim, hidrolizira α (1-4) -glikozidne veze iz nereducirajućih krajeva amiloze, molekula amilopektina u tvorbu maltoze (54-58%), tj. pokazuje izraženu saharifikacijsku aktivnost. Drugi produkt reakcije je β-dekstrin (42-46%). Ovaj enzim se distribuira u tkivima viših biljaka.
Glukoamilaza je egzoenzim, koji djeluje s neredukcijskih krajeva molekula amiloze i amilopektina, cijepa molekule glukoze hidrolizom α (1-4)-i α (1-6) -glikozidnih veza. Ovaj enzim se najčešće nalazi u mikromicetama iz roda Aspergillus, Rhizopus.
Mehanizam djelovanja različite vrste amilaze u skrob:
Tehnologija proizvodnje škroba.
Sirovine za industrijsku proizvodnju škroba su krompir, kukuruz, pšenica, pirinač, sirk. Razmotrimo tehnologiju proizvodnje krompirovog škroba. Uključuje sljedeće faze:
Pranje krompira od prljavštine i nečistoća na mašini za pranje krompira;
Vaganje;
Fino mljevenje krumpira na brzim proizvođačima krumpira radi dobijanja krumpirove kaše (što se više drobi, to će se škrob potpunije osloboditi iz ćelija, ali važno je ne oštetiti sama zrna škroba);
Obrada krumpirove kaše sumpor -dioksidom ili sumpornom kiselinom (radi poboljšanja kvalitete škroba, njegove bjeline i sprječavanja razvoja mikroorganizama);
Odvajanje kaše pomoću centrifuga ili hidrociklonskih sistema;
Rafiniranje skrobnog mlijeka - pročišćavanje škroba iz kaše na rafiniranom situ;
Pranje škroba u hidrociklonu.
Rezultat je sirovi skrob sa sadržajem vlage od 40-52%. Ne podliježe dugotrajnom skladištenju, za razliku od suhog prijema koji se sastoji od sljedećih operacija: mehaničko uklanjanje viška vlage, sušenje, prešanje i pakiranje.
U proizvodnji niza proizvoda učinkovita je upotreba modificiranog škroba:
- Oticanje (predželatinizirani) škrob dobiva se sušenjem paste na posebnim sušilicama, nakon čega slijedi drobljenje filma u prah, čije čestice nabubre kada se nakvase vodom i povećavaju volumen. Oteklina skrob se koristi u Prehrambena industrija(proizvodi brza hrana, stabilizatori i zgušnjivači u hrani bez zagrijavanja).
- Oksidirano skrob se dobija oksidacijom skroba raznim oksidacionim sredstvima (KMnO 4, KBrO 3 itd.). Ovisno o metodi oksidacije, proizvodi imaju različite viskoznosti i svojstva geliranja. Koriste se u papirna industrija za povećanje čvrstoće papira kao tanina i pri niskom oksidacijskom stanju (do 2%) u prehrambenoj industriji. Tako se jedna od vrsta oksidiranog škroba - geliranje koristi kao sredstvo za želiranje umjesto agara i agaroida u proizvodnji proizvoda od marmelade.
- Zamijenjeni škrobovi:
Monokarhni fosfati (monofosfatni esteri skroba) dobivaju se reakcijom suhe mješavine škroba i kiselih soli orto-, piro- ili tripolifosfata na povišenim temperaturama. U usporedbi s konvencionalnim škrobom, oni formiraju stabilne paste koje karakterizira povećana transparentnost, otpornost na smrzavanje i odmrzavanje.
Diklorfosfati (umreženi škrobovi) mogu se dobiti reakcijom škroba s natrij trimetafosfatom, fosfornim oksikloridom itd. Oni tvore paste otporne na toplinu i mehanička naprezanja. Koriste se u proizvodnji majoneze, konditorskih proizvoda, preljeva za salate, mesnih prerađevina itd.
Acetilirani škrob (skrobni acetat) može se dobiti tretiranjem škroba octenom kiselinom ili anhidridom octene kiseline. Imaju sposobnost stvaranja stabilnih prozirnih pasti koje nakon sušenja tvore jake filmove. U prehrambenoj industriji koriste se kao zgušnjivači, kao i u proizvodnji smrznute hrane, instant praha itd.
