29 мая 2016г.
Конечным продуктом глубокого гидролиза крахмала является глюкозно-мальтозный сироп. Соотношение мальтозы и глюкозы в этих сиропах зависит от целей их применения и определяется в основном набором специфических ферментов, используемых в технологическом процессе. В настоящее время в Российской Федерации вырабатывают высокомальтозные сиропы в виде патоки, отдельные же компоненты смесей – глюкоза и мальтоза не производятся. Одной из причин этого является отсутствие технологии разделения таких смесей на химические компоненты.
Целью проводимого исследования является модификация процесса получения мальтозы и глюкозы из крахмалсодержащего сырья с помощью метода избирательной кристаллизации [1]. Сущность предлагаемой модификации общепринятой в мире технологии переработки крахмала в мальтозу и глюкозу заключается в научном обосновании стадии эффективного разделения глюкозы и мальтозы с помощью предложенного автором инновационного метода избирательной кристаллизации мальтозы из глюкозно-мальтозных сиропов в присутствии органических растворителей – изопропанола и ацетона.
Обычной перекристаллизацией глюкозно-мальтозных смесей из водных растворов разделить указанные сахара не удается, т.к. глюкоза и мальтоза имеют практически равную растворимость в широком диапазоне температур. В нашей работе [4] показано, что, несмотря на близкую растворимость глюкозы и мальтозы в водно- органических растворителях с высоким содержанием воды (более 50 мас. %) с увеличением доли органического растворителя (изопропанола и ацетона) растворимость мальтозы по отношению к глюкозе резко уменьшается (Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3). Растворимость углеводов измеряли при температуре 25 оС.
Из Рисунка 3 видно,
что
при массовой доле воды в смешанном растворителе С менее 0,3 различие растворимостей глюкозы и мальтозы в водном ацетоне существенно выше их различия в водном изопропаноле, что указывает
на большую эффективность разделения сахаров в первом случае. Однако такой вывод справедлив, если не учитывать возможное взаимодействие глюкозы и мальтозы
на растворимость друг друга, как было обнаружено автором ранее при анализе совместной растворимости глюкозы и фруктозы [2].
В данной работе представлены результаты изучения процесса кристаллизации смесей глюкозы и
мальтозы различного состава из водно-органических растворителей при температуре 25 оС. Изучено три состава, с относительным содержанием глюкозы f0 : 25, 50 и 75 %, остальное – мальтоза. Отношение объемов органического растворителя и воды ω изменялось от 2 до 12. Экспериментально установлено, что во всех случаях состав насыщенных
растворов (межкристальной жидкости) соответствовал уравнениям растворимости [5] глюкозы Рг и мальтозы Рм в водно-органическом растворителе с содержанием воды С в водном изопропаноле:
Такое соответствие указывает на независимость растворимости углеводов, т.е. на отсутствие химического взаимодействия глюкозы и мальтозы в процессе растворения. Это позволяет провести расчеты полного материального баланса процесса, которые приведены на Рисунке 4, Рисунке 5 и в Табл.1, 2, 3 и 4, где СВ – массовая доля сухих веществ в исходном сиропе, f1, f2 – массовые доли глюкозы к СВ в межкристальной жидкости и кристаллах соответственно, d1 – доля углеводов, перешедшая
из исходного сиропа в жидкую фазу, Е – интегральный
показатель эффективности (эффективность)
разделения глюкозы
и
мальтозы,
который рассчитывается по формуле [3]
Как видно из Рисунков 4 и 5, построенных для случая f0 = 25 % и отношения объема добавленного органического растворителя к объему воды, содержащемуся в исходном сиропе, ω = 12, зависимости эффективности и других параметров кристаллизации от содержания СВ в сиропе носит сложный характер.
С ростом количества СВ, растворяемого в фиксированном объеме воды с образованием сиропа при заданном отношении ω максимум эффективности (макс. Е) достигается в случае равенства концентрации глюкозы в полученной смеси максимально возможной концентрации для данного состава бинарного растворителя. Таким образом, в экстремальной точке (опт. СВ) при достижении насыщения межкристального раствора глюкозой в выпавшей кристаллической фракции ее содержание равно нулю (f2 = 0), т.е. при СВ ниже оптимального значения кристаллическая фаза состоит из чистой мальтозы, а при СВ выше оптимального значения кристаллическая фаза содержит оба углевода, что вызывает резкое уменьшение эффективности Е, и дает перелом на кривой зависимости Е(СВ). После достижения насыщения смеси по глюкозе состав межкристальной жидкости не изменяется, в то время как содержание глюкозы в кристаллах увеличивается.
При сравнении Рисунок 4 и Рисунок 5 видно, что эффективность кристаллизации глюкозно-мальтозного сиропа и концентрация глюкозы в межкристальной жидкости в присутствии ацетона существенно выше, чем в присутствии изопропанола. В первом случае при ω = 12 эффективность достигает
значения Е = 95,1
%, а
f1 = 87,3% - такие же параметры были достигнуты при разделении глюкозно-фруктозных сиропов методом избирательной кристаллизации в присутствии изопропанола для смеси углеводов, содержащей 25 % фруктозы и 75 % глюкозы [2].
В таблицах приведены максимально достижимые значения эффективности Е и соответствующие экстремальные параметры СВ, f1,
d1 при фиксированных отношениях ω = 2, 4, 6, 8, 10 и 12. Данные для смеси, содержащей 75 % глюкозы и 25 % мальтозы (f0
= 75 %) не приведены, т.к. в этом случае метод избирательной кристаллизации не эффективен. Эффективность кристаллизации состава с f0 = 50 % в случаях применения ацетона и изопропанола значительно ниже, чем эффективность кристаллизации высокомальтозной смеси, содержащей 75 % мальтозы и 25 % глюкозы (f0 = 25 %). Уменьшение количества добавленного органического растворителя с исходному сиропу смеси углеводов приводит к резкому
падению общей эффективности процесса разделения глюкозы и мальтозы.
Таблица 1 Максимумы эффективности Е и экстремальные значения СВ, f1, d1 кристаллизации глюкозно-мальтозной смеси (f0 = 25 %) в водном изопропаноле
|
ω
|
2
|
4
|
6
|
8
|
10
|
12
|
|
макс Е, %
|
77,3
|
83,9
|
87,2
|
89,3
|
90,9
|
91,8
|
|
опт. СВ, %
|
72,8
|
62,3
|
54,5
|
48,4
|
43,5
|
39,5
|
|
f1, %
|
59,5
|
67,5
|
72,4
|
75,9
|
78,4
|
80,3
|
|
d1, %
|
42,0
|
37,0
|
34,5
|
32,9
|
31,9
|
31,1
|
Таблица 2 Максимумы эффективности Е и экстремальные значения СВ, f1, d1 кристаллизации глюкозно-мальтозной смеси (f0 = 50 %) в водном изопропаноле
|
ω
|
2
|
4
|
6
|
8
|
10
|
12
|
|
макс Е, %
|
31,9
|
51,8
|
61,8
|
68,3
|
72,5
|
75,5
|
|
опт. СВ, %
|
57,3
|
45,3
|
37,5
|
31,9
|
27,8
|
24,6
|
|
f1, %
|
59,5
|
67,5
|
72,4
|
75,9
|
78,4
|
80,3
|
|
d1, %
|
84,0
|
74,0
|
69,0
|
65,9
|
63,8
|
62,3
|
Таблица 3 Максимумы эффективности Е и экстремальные значения СВ, f1, d1 кристаллизации глюкозно-мальтозной смеси (f0 = 25 %) в водном ацетоне
|
ω
|
2
|
4
|
6
|
8
|
10
|
12
|
|
макс Е, %
|
75,6
|
85,9
|
90,3
|
92,7
|
94,1
|
95,1
|
|
опт. СВ, %
|
66,7
|
48,6
|
36,4
|
28,1
|
22,3
|
18,2
|
|
f1, %
|
57,8
|
70,3
|
77,4
|
81,9
|
85,0
|
87,3
|
|
d1, %
|
43,3
|
35,6
|
32,3
|
30,5
|
29,4
|
28,6
|
Таблица 4 Максимумы эффективности Е и экстремальные значения СВ, f1, d1 кристаллизации глюкозно-мальтозной смеси (f0 = 50 %) в водном ацетоне
|
ω
|
2
|
4
|
6
|
8
|
10
|
12
|
|
макс Е, %
|
26,9
|
57,8
|
70,8
|
78,0
|
82,4
|
85,4
|
|
опт. СВ, %
|
50,1
|
32,1
|
22,2
|
16,3
|
12,5
|
10,0
|
|
f1, %
|
57,8
|
70,3
|
77,4
|
81,9
|
85,0
|
87,3
|
|
d1, %
|
86,5
|
71,1
|
64,6
|
61,0
|
58,8
|
57,3
|
Анализ полученных результатов исследования позволяет рекомендовать метод избирательной кристаллизации для эффективного разделения глюкозно-мальтозных смесей с высоким содержанием мальтозы на мальтозную кристаллическую фазу и высокоглюкозную межкристальную жидкость, которая в дальнейшем может быть переработана в кристаллическую глюкозу. Таким образом, данным способом технологически возможно разделение глюкозно-мальтозных исходных смесей на чистые компоненты.
Для практической реализации метода в качестве органических растворителей можно использовать, как ацетон, так и изопропанол. Применение ацетона дает более высокую общую эффективность процесса разделения, в то время, как применение изопропанола имеет другое важное технологическое преимущество – более высокое оптимальное содержание СВ (в два и более раза) в глюкозно-мальтозном сиропе, т.е. в последнем случае на единицу массы перерабатываемых сахаров расходуется значительно меньше органического растворителя для кристаллизации. Оптимально использовать разработанный метод для переработки легко получаемых гидролизом крахмала высокомальтозных сиропов с содержанием глюкозы менее 30 %, которые обычно являются конечным продуктом крахмалопаточного производства в нашей стране.
Работа проведена в рамках гранта Президента РФ № МД – 3576.2015.4.
Список литературы
1. Данильчук, Ю.В. Модификация процесса получения мальтозы и глюкозы из крахмалсодержащего сырья с помощью метода избирательной экстракции / Ю.В. Данильчук // Сборник материалов VII межведомственной научно-практической конференции «Инновации в товароведении, общественном питании и длительном хранении продовольственных
товаров». – М.:
Издательство ООО "Франтера",
2015.– С. 36-39.
2. Данильчук, Ю.В. Новый способ получения фруктозы методом избирательной кристаллизации ГФС/ Ю.В. Данильчук // Сахар. – 2012. – № 12. – С. 41-49.
3. Данильчук, Ю.В. Оценка эффективности избирательной кристаллизации глюкозно-фруктозных сиропов/Ю.В. Данильчук // Сахар. – 2012. - № 3. – С. 53-55.
4. Данильчук, Ю.В. Растворимость мальтозы в водно-органических средах / Ю.В. Данильчук // Сборник материалов VII межведомственной научно-практической конференции «Инновации в товароведении, общественном питании и длительном хранении продовольственных товаров». – М.: Издательство ООО "Франтера", 2015. – С. 40-43.
5. Данильчук, Ю.В. Растворимость углеводов в водно-органических средах / Ю.В. Данильчук, Ю.И. Сидоренко // Доклады Академии наук. – 2013. – Т. 453, № 5. – С. 516-518.
