Производство сырого крахмала из зерна кукурузы. 
Использование сульфита при производстве сырого крахмала

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ивановский государственный химико-технологический университет Факультет ОХиТ Кафедра ТППиБТ ОТЧЕТ О ПРОХОЖДЕНИИ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ПРАКТИКИ На тему

«Производство сырого крахмала из зерна кукурузы. Использование сульфита при производстве сырого крахмала»

Студента 4 курса 29 группы Ивлев Павел Андреевич Руководитель от вуза д.х.н, профессор Макаров Сергей Васильевич Руководитель от предприятия Легостаева Ирина Вячеславовна Руководитель на производстве Леонов Владимир Иванович г. Иваново, 2012

ВВЕДЕНИЕ

Углеводы — главный источник энергии для организма человека, в рационе которого они занимают более 70% по массе. Основной представитель углеводов в питании человека — крахмал. Являясь главным резервным углеводом растений, крахмал принадлежит к числу наиболее распространенных в растительном мире веществ.

Извлечение крахмала из растительного сырья (картофеля, кукурузы, пшеницы) и получение из него крахмалопродуктов (крахмальной патоки, глюкозы, глютена, крахмального экстракта, мезга и др.) осуществляется на предприятиях крахмалопаточной промышленности. Современная техника позволяет получать большое количество чистого крахмала из разных сельскохозяйственных культур, по этому крахмал является одним из наиболее универсальных материалов для пищевой и химической промышленностей.

В настоящее время базовый нативный крахмал составляет только 25% мирового производства крахмала. Это обусловлено тем, что огромное количество предприятий изготавливает крахмал на заказ в соответствии с конкретными требованиями своих клиентов. 25% произведенного крахмала подвергается физической или химической обработке, он известен как модифицированный крахмал. Оставшиеся 50% гидролизуются в основанные на крахмале заменители сахара. Эта совокупность потребностей рынка открывает значительные возможности для производителей крахмала.

Крахмал и крахмалопродукты находят широкое применение как в пищевой промышленности, так и для технических целей, а лёгкая изменяемость свойств крахмала при его обработке позволяет получить сотни разнообразных по структуре, составу и свойствам видов модифицированного крахмала, успешно используемых как в производстве продуктов питания, так и в непищевых отраслях, что делает крахмало-паточное производство важной отраслью народного хозяйства [2, 3].

1. ОБЩЕЕ ОЗНАКОМЛЕНИЕ С ПРЕДПРИЯТИЕМ И ЕГО ОРГАНИЗАЦИОННО-ХОЗЯЙСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬЮ

1.1 О компании «Cargill»

Nourishing Ideas. Nourishing People

Cargill Inc. — крупнейшая американская частная компания и ведущий международный поставщик продуктов и услуг в сфере сельского хозяйства и пищевой промышленности, мировой товарооборот которого ежегодно составляет свыше $ 100 млрд. «Cargill» — транснациональная корпорация, имеющая представительство в более чем 60 стран мира и в общей сложности в них работает около 150 тысяч сотрудников. Следует отметить активное сотрудничество Cargill Inc. с ведущими в мире пищевыми компаниями, такими как Mars, Nestle, Kraft Foods, McDonald’s, Unilever и др.

Штаб-квартира компании находится в городе Миннетонка, штат Миннесота. Генеральным директор на данный момент является Грегори Р. Пейдж.

1.2 История «Cargill»

История компании берет начало в 1865 году, когда Уильям Уоллес Каргилл купил небольшой амбар в городе Коновер штата Айова. Год спустя к Уильяму присоединяется его брат Сэмюэль, что привело к рождению компании «W.W.Cargill and Brother». Братья строили новые амбары и склады. Вскоре их бизнес расширяется на соседние штаты: Миннесота, Висконсин. К старшим братьям подключился еще два брата, один из которых основал мукомольную компанию «Cargill Elevator» в Миннеаполисе. К 1885 году компания, сменившая название на «W.W.Cargill Co.», владела сотней предприятий в Миннесоте, Северной и Южной Дакоте совокупной мощностью по единовременному хранению зерна более 50 тыс. тонн. Меньше чем за 10 лет емкости зернохранилищ удвоились.

В 1898 году в «W.W.Cargill Co.» вливается ее сосед-конкурент «D.D.McMillan & Sons», а в 1909 после смерти Каргилла-старшего компанию возглавил зять покойного — Джон МакМиллан, зарекомендовавший себя довольно успешным бизнесменом. Он руководит компанией вплоть до 1936 года. Таким образом, «Cargill» — частная компания, принадлежащая семействам Каргилл и МакМиллан. Под руководством Дж. МакМиллана компания выросла в несколько раз, расширяя свои границы, в период 1923;1930 годы открываются первые зарубежные филиалы «Cargill» в Канаде, Европе и Латинской Америке.

Не смотря на то, что во время Первой мировой войны компании пришлось закрыть рад предприятий, ей удалось достигнуть рекордной прибыли, за счет увеличения цен на зерно.

К 1935 году бизнес на 60% направлен на зарубежные рынки и компания обзавелась собственным флотом. Именно выход на рынок морских перевозок позволил Cargill пережить Великую депрессию и Вторую мировую войну. Во время войны также пришлось закрыть большинство филиалов в оккупированных европейских странах, что было компенсировано доходами от океанских перевозок и судостроения. Параллельно осваивается промышленная переработка соевых бобов, позже добавляются животноводство, птицеводство и другие сельхознаправления. К своему столетнему юбилею корпорация «Cargill» уже была мировым лидером по производству и транспортировке сельхозпродукции.

Начиная с 1960 года «Cargill» участвует в реализации зерна в коммунистические страны (Венгрию и СССР). В этом же году, под руководством Эрвина Кельма, первого семейного главы компании, начинается производство крахмалопродуктов. После перерыва, к концу 1960;х годов, стремясь улучшить отношения с СССР, США возобновляют поставки зерна. Эти события подготовили почву для знаменитых покупки зерна в 1972 году, когда «Cargill» в тайне продает Советам несколько миллион тонн пшеницы.

В 1965 году начинается интенсивная диверсификация производства: компания входит в мукомольную промышленность путем приобретения «Burrus Mills», в 1972 году; а в 1975 году с приобретением компания «Hohenberg Bros.» становится производителем хлопка. В 1979 году к производству мясопродуктов «Cargill» была присоединена корпорация «Wichita». Также в 1979 году была осуществлена покупка солодовенного завода во Франции, которая инициировала участие «Cargill» в пивоваренном бизнесе. Наконец, в 1981 году, «Cargill» усилил свои торговые операции с приобретением «Ralli Brothers and Coney», британского международного трейдера хлопка, каучука, шерсти и волокна. В это же время «Cargill» пробует себя в переработке цитрусовых, нефтяной торговли, металлургии, производства удобрений и др. Многие из этих «областей» не выполнили поставленных задач и не принесли доходов и были проданы. Но опыт Cargill с диверсификацией производства не прошел даром и достиг впечатляющих результатов.

1980;е годы принесли немало экономических проблем, которые замедлили рост в «Cargill», но, несмотря на периодические спады, «Cargill» проявил впечатляющую устойчивость и темпы роста, успеха которых отдается на последовательно сильный менеджмент компании. И к 1990 году, «Cargill» и его дочерние компании были обнаружены в 57 странах мира, с числом сотрудников в более чем 55 тысяч.

Чтобы уменьшить зависимость «Cargill» от зернового бизнеса, в 1990;х годах компания продолжает программу радикальных диверсификаций и к 1993 году Cargill была третьей по величине американской пищевой компанией, уступая лишь «Philip Morris» и «ConAgra», а ее годовой оборот достиг достигает $ 22 млрд.

К середине 1990;х годов, «Cargill» удивляет своим разнообразием своего производства. Будучи первой зерновой компанией в мире, третей продовольственной компанией в США, «Cargill» становится восьмым по величине производителем стали в США, первым по переработке какао в Европе. За финансовый год, завершившийся в мае 1995 года Cargill сообщила, что ее доходы превысили $ 50 миллиарда.

В 1997 году компания стала одним из крупнейших производителей и продавцов соли в мире с покупкой североамериканского бизнеса соли «Akzo Nobel». Экономический кризис середины 1997 года в Азии, Латинской Америки и России привел к спаду на мировых торговых рынках, что не могло не отразиться продажах и прибыли «Cargill». Но данный период был примечателен рядом крупных сделок, например, «Cargill» и компания «Monsanto» сформировали совместное предприятие биотехнологий растений, через которое «Cargill» заключает контракты с фермерами для выращивания генномодифицированных зерновых культур.

В январе 2000 года «Cargill» и «Dow Chemical» организуют совместное предприятие «Cargill Dow» и начинают строительство завода, где начинают производство нового вида пластика из растений. В декабре 2000 года Cargill приобретает «Agribrands International. Inc» и «Animal Nutrition», производитель кормов и обладателя таких бренды, как «Nutrena» и «Acco Feeds». Благодаря этому и еще целому ряду приобретений, «Cargill» в течение 2000;ых продолжает свое неуклонное расширение за пределы торговли зерном.

Сегодня «Cargill» — это процветающая международная корпорация, успешный бизнес которой помогает обеспечить продуктами питания миллионы людей по всему миру.

1.3 «Cargill» в России

«Каргилл» имеет большой опыт сотрудничества с Россией. Первые поставки зерна в СССР начались в 1963 году, в 1970;х годах их объем увеличился в несколько раз. Это многолетнее сотрудничество заложило надежную базу для работы «Каргилл» в России.

В 1991 году было открыто первое представительство «Каргилл» в Москве, является координационным центром компании в России, где распологаются торговые представительства различных направлений бизнеса компании: корма для животных, мясо и птица, уголь, какао и шоколад, вкусоароматические системы, масла и жиры, крахмалы и сиропы, текстуранты, структурное и торговое финансирование, сахар.

В настоящее время в России работает несколько промышленных предприятий компании: в г. Ефремов (Тульская область), в Краснодаре и в Ростове-на-Дону. Общее число сотрудников «Каргилл» в России составляет около 1500 человек.

Свои первые инвестиции в России «Каргилл» сделала в 1994 году в г. Ефремов, вложив в ОАО «Глюкозно-паточный комбинат «Ефремовский» более 400 млн. долларов США. Средства были инвестированы как в модернизацию существующего производства, так и в строительство новых заводов на его основе. На территории промышленного комплекса были построены линии по комплексной переработке пшеницы, завод по рафинации растительных масел и жиров, на которых установлено оборудование для розлива жидких масел — подсолнечного, рапсового и кукурузного, а также для фасовки полного ассортимента тропических масел и жиров, таких как пальмового и кокосового; налажено первое в России производство нативной пшеничной клейковины — ингредиента, позволяющего повысить качество хлебобулочных изделий. В 2007 году в Ефремове запущена солодовня компании «Каргилл», которое снабжает солодом производителей пивоваренной продукции в России. А в июле 2009 года введена в эксплуатацию линия по производству комбикормов. 2010 год знаменателен строительством первого завода «Каргилл» по переработке мяса птицы в России, основным клиентом которого стала компания Макдоналдс в России. В 2011 году запущен завод по производству стартерных и престартерных кормов и добавок для поросят и цыплят.

Сегодня в состав зернового направления бизнеса «Каргилл» входит торговая компания в Краснодаре, элеваторы в станицах Брюховецкая, Павловская и Тбилисская Краснодарского края, и в поселке Давыдовка Воронежской области, специализирующиеся на хранении, сушке и отгрузке пшеницы, семян подсолнечника, кукурузы и ячменя. Также «Каргилл» владеет речным терминалом по отгрузке зерна в Ростове-на-Дону.

«Каргилл» является ведущим иностранным инвестором в России, вложившим в развитие сельского хозяйства и пищевой промышленности страны более $ 700 миллионов.

крахмал сульфит кукуруза зерно

2. АССОРТИМЕНТ ВЫПУСКАЕМОЙ ПРОДУКЦИИ Ассортимент комплекса заводов ООО «Каргилл» в г. Ефремов довольно разнообразен и постоянно обновляется с учетом потребностей заказчиков, производственно-технологических и финансовых возможностей предприятия. В связи с внутренней политикой компании, с целью сохранения конкуренции на рынке, полный перечень наименований продукции «Каргилл» является коммерческой тайной и предприятием не раскрывается. Но общие предлагаемые услуги и вырабатываемые продукты известны всему миру:

1) крахмал, а также полученные на его основе различные глюкозные, мальтозные и глюкозно-фруктозные сиропы, крахмальная патока;

2) гранулированные комбикорма и кормовые смеси для птицеводства и свиноводства:

· престартерный корм для поросят;

· концентраты (БВМК) для свиней под зерно;

· различные премиксы для свиней;

· НАСКОР — престартерный корм для цыплят-бройлеров;

· ЛОНОХЕН — витаминно-минеральные премиксы для цыплят-бройлеров и кур-несушек;

3) переработанное мясо птицы;

4) нативная пищевая клейковина;

5) рафинированные растительные масла и жиры:

· рафинированное дезодорированное пальмовое масло и пальмовый олеин;

· рафинированное гидрогенизированное пальмовое масло;

· рафинированное дезодорированное подсолнечное масло;

· жиры на основе гидрогенизированного подсолнечного масла для спредов и маргаринов «Вегамелт»;

· жиры для производства шоколадных паст и начинок «Вегакрем», «Шокобаза»;

· заменители молочного жира «Вегастар», «Вегамикс», «Вегалат»;

· специальные жиры для обжарки «Вегафрай», «Профилюкс», «Санни Голд»;

· рафинированное бутилированное подсолнечное масло «Санни Голд», «Редди» и «Флореско»;

· специальные смеси жиров по индивидуальным требованиям заказчика;

6) солод Вся продукция Ефремовского отделения «Каргилл» соответствует российским и европейским стандартам качества. Ближайшими планами компании является расширение линейки продуктов и поставки с ООО «Каргилл» г. Ефремов новых продуктов, всех вышеперечисленных направлений.

3. ХАРАКТЕРИСТИКА КРАХМАЛА Крахмал — резервное питательное вещество растений, которое интенсивно накапливается в результате фотосинтеза и откладывается в семенах, клубнях, корнях и других частях растений.

Относительно физических свойств, крахмал — твердый, безвкусный, аморфный порошок чисто белого цвета.

3.1 Строение крахмала Крахмал (C6H10O5)n — полисахарид амилозы и амилопектина, мономером которых является альфа-глюкоза, в виде? — D — глюкопиранозы (рис. 3.1).

Рис. 3.1? — D — глюкоза Природный крахмал состоит из двух различных фракций, отличающихся по своему строению и свойствам:

· Амилоза (внутренняя часть крахмального зерна), на которую приходится примерно 10−20% крахмала. Молекула амилазы представляет собой линейную или слаборазветвлённую цепочку, состоящую из остатковD-глюкопиранозы связаных друг с другом исключительно -1,4-глюкозидными связями, т. е. кислородные мостики возникают за счёт гликозидного гидроксила 1-го атома одной молекулыD-глюкопиранозы и спиртового гидроксила при 4-м атоме другой (рис. 3.2). Звеньяглюкозы способны закручивать макромолекулу амилозы в спираль, что способствует уменьшению вероятности образования межцепных водородных связей, но увеличивает возможность данного типа связей с молекулами воды. Поэтому амилоза растворима в воде.

Рис. 3.2 Структура амилозы

· Амилопектин (оболочка крахмального зерна) — 80−90% от крахмала и в отличии от амилозы имеет преимущественно разветвленное (сферическое) строение, которое обеспечивается тем, что молекула составлена из множества коротких полигликозидных цепочек, каждая из которых в среднем содержит 20 остатковD-глюкопиранозы. В пределах каждой короткой цепи глюкозные остатки соединены -1,4 гликозидными связями. Друг с другом цепи соединяются за счет отщепления воды отOH и CH2OH-групп посредством -1,6 гликозидных связей (рис. 3.2). В отличие от амилозы, амилопектин не растворим в воде [1, 6].

Рис. 3.2 Амилопектин

3.2 Химические свойства

1. Гидролиз.

Основной химической реакцией крахмала является реакция гидролиза, который в свою очередь делится на кислотный и ферментативный.

а) кислотный гидролиз: при нагревании, достаточном разбавлении и действии катализаторов (иона водорода) крахмал гидролизуется с разрывом связей между остаткамиглюкозы. При этом образуется ряд промежуточных продуктов (3.1), конечным же продуктом гидролиза является глюкоза.

(C6H10O5)n (C6H10O5)x C12H22O11 C6H12O6 крахмал декстрины мальтоза глюкоза (3.1)

б) ферментативный гидролиз: крахмал также гидролизуется ферментомамилазой (входит в состав слюны и выделяется поджелудочной железой), расщепляющей беспорядочно -(1−4)-гликозидные связи. ?-Амилаза (присутствует в солоде) действует на -(1−4)-гликозидные связи, начиная с невосстанавливающего терминального остатка глюкозы, и последовательно отщепляет от полимерной цепи молекулы дисахарида мальтозы. Глюкоамилаза (содержится в плесневых грибах), подобно двум другим амилазам, гидролизует -(1−4)-гликозидные связи, последовательно отщепляя остатки D-глюкозы, начиная от невосстанавливающего конца. Селективное расщепление -(1−6)-гликозидных связей амилопектина происходит -1,6-глюкозидазами, например, изоамилазой или пуллуланазой.

2. Реакция с йодом (качественная реакция на крахмал) При действии на крахмальный клейстер раствора йода в присутствии KI наблюдается интенсивное синее окрашивание, исчезающее при нагревании и вновь появляющееся при охлаждении (3.2). Следует отметить, что данная реакция настолько чувствительна, что проявляется уже при концентрации крахмала равной 2· 105 М.

(3.2)

При действия йода на полисахарид протекает процесс комплексообразования. Особенно отчетливо образование комплекса видно при реакции с амилозой и с амилозоподобными разветвлениями молекул аминопектина. Молекулы йода, в виде цепей · ··I···I···I···, спиралеобразно обвиваются цепью амилозы, при чем на каждую молекулу йода приходится шесть глюкозных остатков (один полный оборот спирали) см. рис. 3.3.

Рис. 3.3 Йодкрахмальная реакция Попадая в спираль, молекулы йода испытывают сильное влияние со стороны своего окружения (ОН-групп), в результате чего увеличивается длина связи I—I до 0,306 нм (в молекуле йода длина связи 0,267 нм). Причем эта длина едина для всех атомов йода в цепи (рис. 3.4).

Рис. 3.4 Изменение длины связи в молекуле I2 в ходе протекания реакции Данный процесс сопровождается изменением бурой окраски йода на сине-фиолетовую (?макс 620−680 нм). Амилопектин, в отличие от амилозы, дает с йодом красно-фиолетовое окрашивание (?макс 520−555 нм), следовательно, оттенок окрашивания зависит от степени ветвления полисахарида, его строения и молекулярной массы.

3. Фотосинтез Крахмал является первым видимым продуктом фотосинтеза (3.3).

6nCO2 + 5nH2O + свет > (C6H10O5)n + 6nO2 (3.3)

3.3 Применение крахмала Крахмал применяют в различных отраслях народного хозяйства. В первую очередь следует отметить его большую пищевую ценность как энергетическое средство, легко переваривается и усваивается организмом, благодаря чему широко используется для пищевых целей. Именно поэтому наибольшее значение крахмал имеет в качестве пищевого продукта. Важное значение при этом имеет вязкость его клейстеризованных растворов и их студнеобразующая способность при достаточных концентрациях. Эти свойства используются в колбасном производстве, добавление крахмала в вареные колбасы способствует их сочности, лучшей связи фарша. В кондитерском производстве крахмал используют как формующий материал.

Введение

крахмала в тесто для печенья и некоторых других мучных кондитерских изделий улучшает их структуру, позволяет ослабить действие клейковины придать большую мягкость и нежность продукту с одновременным уменьшением количества сахара и жира. Его применяют и в бродильном производстве, например при получении молочной кислоты: образующиеся после осахаривания крахмала углеводы подвергаются сбраживанию с получением молочной кислоты или иных продуктов брожения. Крахмал идет как не осоложенный материал для производства пива, применяется как загуститель и стабилизатор для мороженого, мармелада, сгущенного молока, овощных консервов.

В аналитической химии крахмал служит индикатором в йодометрическом методе титрования. Для этих случаев лучше применять очищенную амилозу, т.к. ее растворы не загустевают, а образуемая с йодом окраска более интенсивна.

В медицине и фармацевтике крахмал применяется для приготовления присыпок, паст (густых мазей), а также при производстве таблеток.

Бумажная промышленность является крупнейшим потребителем крахмала, благодаря его специфическим свойствам и возобновляемости ресурсов. Различные виды крахмала используются на разных стадиях производства бумаги. Крахмал добавляют для улучшения внешнего вида и типографских свойств бумаги, увеличения прочности, для придания гидрофобности применяется поверхностная проклейка на формовочном прессе. В производстве картона крахмал применяется как для проклейки плоских слоёв, так и для склеивания листов гофрированного картона.

В текстильной промышленности крахмалы используются для шлихтования, аппретирования и приготовления загущающих составов (загусток). Загустки — это композиция материалов, которая используется при нанесении рисунка на ткань, для предотвращения растекания краски, вследствие капиллярности волокон. Для производства шлихты (клеящего состава) можно использовать следующие виды нативных крахмалов.

В последнее время для шлихтующих и загущающих составов все чаще используют модифицированные крахмалы. Применение этих крахмалов позволяет улучшить показатели ошлихтованной пряжи, печатных тканей; уменьшает расход загущающих материалов; снижает энергозатраты; уменьшает расход химических расщепителей, увеличивая экологическую безопасность техпроцессов [2, 3].

Крахмал является распространённой основой для производства клея, который чаще всего применяется для склеивания бумаги к таким материалам, как стекло, минеральная вата и глина. Наиболее часто для приготовления клея используют кукурузный и картофельный крахмалы.

4. ПРОИЗВОДСТВО СЫРОГО КРАХМАЛА Современная крахмалопаточная промышленность — важная отрасль народного хозяйства. Крахмалопаточные предприятия выпускают сухой крахмал, глюкозу, различные виды крахмальных паток, модифицированные крахмалы, декстрин, глюкозофруктозные сиропы и др.

Комбинаты, перерабатывающие зерно, такие как ООО «Каргилл», работают непрерывно (круглосуточно) и в продолжение почти всего года, за исключением коротковременной (20−30 дней) остановки для капитального ремонта и модернизации оборудования. Такая интенсификация производства ставит зерноперерабатывающие комбинаты в один ряд с передовыми предприятиями химической, нефтехимической, металлургической и им подобных отраслей промышленности.

4.1 Характеристика сырья Основным сырьем для производства крахмал является сырье растительного происхождения: картофель, а также зерновые культуры: кукуруза, пшеница, рис, сорго. Зерновые культуры, как сырье, выгодно отличаются от картофеля рядом технологических свойств: хорошая транспортабельность, получение побочных ценных продуктов зерна (сухих протеиновых кормов, масел, экстрактов, гидрола и др.), применение комплексной механизации, автоматизации, а также возможность круглогодовой переработки зерна, что обуславливают его технико-экономическую эффективность. Зерно, как сырье, дает возможность строить крупные предприятия с высоким уровнем производительности труда, фондоотдачи и низкой себестоимостью выпускаемой высококачественной продукции. Картофель — сырье малотранспортабельное и трудносохраниемое, не дающее возможности строить крупные предприятия. Именно поэтому завод по производству крахмала ООО «Каргилл» выпускает крахмалопродукты, полученные исключительно переработкой зерна, в частности кукурузы и пшеницы.

4.1.1 Кукуруза, как сырье для производства крахмала Кукуруза (миас) — однолетние, однодомное растение, принадлежащее к семейству злаковых, рода Zea и вида Zea Mays; одна из самых распространенных зерновых культур в мире. Кукуруза является наиболее ценным сырьем крахмало-паточного производства.

Исходя из строения кукурузного зерна (рис. 4.1) и химического состава отдельных частей зерна (Табл. 4.1) можно заметить, что крахмальные зерна почти полностью сосредоточены в эндосперме.

Рис. 4.1.1 Строение кукурузного зерна6 1 — мучнистая часть (верхушечный крахмал); 2, 3 — роговидный глютен и крахмал (эндосперм); 4 зародыш; 5 — рыхлая часть (крахмал нижней части); 6 — зародышевый стебелек; 7 — зародышевый корешок; 8 — чехлик;

Таблица 4.1 Химический состав отдельных частей кукурузного зерна (масс. %)

Однако химический состав кукурузного зерна различных ботанических групп, неодинаков, зависит от почвенных и климатических условий произрастания, степени вызревания.

По технологическим, экономическим соображениям наиболее выгодными для производства являются сорта зубовидной и полузубовидной кукурузы, а также их гибриды. Несмотря на это ООО «Каргилл» в производстве крахмалопродуктов использует преимущественно зубовидную, кремнистую сорта кукурузы. Хорошие производственные показатели «Каргилл» — следствие использования кукурузы высокого качества. Полученное зерно проверяется на качество в лаборатории и должно соответствовать ГОСТ 13 634–6 (Табл. 4.2).

Таблица 4.2 Показатели качества зерна кукурузы

Складирование кукурузы должно производится в строгом соответствии с ее качеством, однако на ООО «Каргилл» хранение кукурузы имеет формальный характер, так как она практически сразу поступает в производство.

4.2 Характеристика готовой продукции Кукурузный крахмал на ООО «Каргилл» готовится по специальным технологическим инструкциям, рецептурам и вырабатываются в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51 985;2002, которым предусматривается органолептическая и физико-химическая оценка готового изделия. Вследствие высокого содержания воды сырой крахмал сохраняется плохо, поэтому сырой крахмал является полуфабрикатом и его целесообразно немедленно, после выработки, обезвоживать механически (на центрифугах), а затем либо высушивать, либо, перерабатывать в другие виды готовой продукции (патоку, сиропы и др.).

Очищенный крахмал, поступающий в производство сухого крахмала, должен иметь показатели качества указанные в таблице 4.3.

Таблица 4.3 Показатели качества зерна кукурузы

На ООО «Каргилл» сырой крахмал (крахмальная суспензия) направляется на завод по производству сиропов и патоки, где из него, путем кислотного и ферментативного гидролиза, получают сиропы простейших сахаров.

4.3 Описание технологического процесса Задачами технологических процессов производства сырого кукурузного крахмала является:

· полное разделение зерна на составные части;

· извлечение из него максимально возможного количества крахмала в возможно более чистом виде и с минимальным изменением его природных свойств;

· проведение наиболее эффективного разделения, подготовки и использования других ценных составных частей (мезги, зародыша) и веществ (экстракта, глютена и др.) зерна.

Схема производства сырого кукурузного крахмала представлена на рис. 4.3.1. Процесс производства состоит из следующих операций:

1. Прием и очистка зерна кукурузы:

Кукурузное зерно поступает на завод путем железнодорожного или автомобильного транспорта, из которого поступает в элеватор. А затем с помощью ленточных транспортеров и ковшовых норий поступает сначала на зерноочистительные машины, где оно очищается от сорных и крупных примесей. Зерновые отходы реализуются при производстве кормов. После взвешивания на автоматических весах 3 очищенное зерно попадает в замочное отделение. Замачивание зерна:

Зерно, по средствам гидротранспорта поступает в чаны 1, которые вместе с подогревателями с 2 комплектуются в батареи, работающих по принципу противотока: раствор бисульфита из емкости 5, через сборник 4 подается в чан, в котором завершается цикл замачивания зерна, жидкий кукурузный экстракт откачивается на уваривание из чана со свежеприготовленным зерном.

Рис. 4.3.1 Схема производства сырого кукурузного крахмала на ООО «Каргилл» гидротранспорта и насоса 34 попадает в производство через гидроциклон — отделитель камней 8 на первое дробление

2. Дробление зерна, выделение и промывание зародыша:

Перед вводом замоченного зерна в дробилку 11 транспортерная вода отделяется от зерна на дуговом сите 9, а зерно направляется в бункер 10. При дроблении освобождается основная часть зародыша, выделение которого происходит на гидроциклонной установке 12. Для обеспечения требуемой консистенции в полученную кашку перед ее обработкой на гидроциклонах добавляют необходимое количество суспензии с сит отцеживания и промывания зародыша. Выделенный зародыш с крахмальной суспензией направляется на станцию очистки 18, а кашку, содержащую часть зародыша, связанного с эндоспермом, на второе дробление. На вторых дробилках 13 происходят более мелкое измельчение с целью полного освобождения связанного зародыша. Кашка со вторых дробилок размешивается с определенным количеством суспензии с сит отцеживания и промывания зародыша и направляется на гидроциклоны второго выделения зародыша 14. Зародыш вместе с крахмальной суспензией поступает на станцию контрольной очистки: дуговые сита отцеживания зародыша 19 и двукратного противоточного промывания 20, 21. Выделенный зародыш обезвоживается на шнек прессах 22 и подвергается сушке.

3. Помол кашки:

Кашка со вторых гидроциклонов поступает на дуговые сита отделения I-ого крахмального молока 15, а затем в перемешиватель 16 и подвергается тонкому помолу на машинах ударного действия 17. I-ое крахмальное молоко направляют в сборник 32, а далее на сита 31 для окончательной очистки от мезги.

4. Отделение, промывание и обезвоживание мезги:

После измельчения полученную кашку, содержащую кроме свободного крахмала частицы мезги. Кашку разбавляют суспензией с первых сит промывания и направляют на сита отделения мезги 33−1. Отцеженную на ситах мезгу направляют на станцию дуговых сит 33 (2−7) для противоточного промывания мезги. Отмытую мезгу обезвоживают сначала на сите 24, а затем на шнек-пресах 23 и применяют для приготовления кормов.

5. Концентрирование и сепарирование крахмального молока:

I-ое крахмальное молоко и суспензию, полученную на ситах отделения мезги — II-ое крахмальное молоко — объединяют в сборнике 32 и направляют на дуговые сита 31 для окончательной очистки от мезги.

Очищенная крахмально-белковая суспензия направляется на станцию центробежных сепараторов-разделителей 25 для выделения из нее белковых веществ и отделения жидкой фазы, содержащей значительное количество растворимых веществ зерна.

6. Выделение крахмала:

Полученный сход с сепараторов поступает в сборник 26 и далее для окончательное очистки на гидроциклоны 28. Жидкий сход с первой ступени гидроциклонов сгущают на сепараторах 27 и крахмал возвращают в сборник перед сепараторами 25.

7. Выделение, концентрирование и обезвоживание глютена:

Белковые вещества и жидкая фаза в виде сильноразбавленной суспензии направляется на станцию концентрирования глютена, оснащенную флотационными камерами 30 и центробежными сепараторами 29. Концентрированный глютен обезвоживается на вакуум-фильтрах.

8. Промывание крахмала:

Для промывания полученного крахмала используют конденсат или умягченную воду. Фильтраты и воды, полученные при промывании крахмала, применяют противоточно в процессе производства крахмала [2, 3].

Аппаратурно-технологическая схема производства сырого кукурузного крахмала представлена на стр. 27.

4.4 Технохимический контроль производства На всех этапах технологического процесса производства сырого кукурузного крахмала ведется постоянный технохимический контроль, который необходим для соблюдения технологического режима производства, анализа качества как готового, так и промышленного продукта, а также перерабатываемого сырья и его учета.

Технохимический контроль при производстве крахмала из кукурузы осуществляют по схеме, приведенной в таблице 4.4.

Таблица 4.4

Технохимический контроль производства крахмала из зерна кукурузы

5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СУЛЬФИТА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СЫРОГО КРАХМАЛА

5.1 Общая характеристика сульфита

5.1.1 Замачивание зерна, как биотехнологическая стадия процесса Двуокись серы (сернистый газ) — SO2 — легко растворяется в воде, с образованием «сернистой кислоты» (H2SO3), которая состоит в основном из растворенного и свободно гидратированного молекулярного диоксида серы (5.1 — 5.3). Данная кислота является неустойчивой кислотой средней силы, существующей только в растворах в чрезвычайно небольших количествах [7, 8]. В водном растворе SO2 имеют место следующие равновесия

SO2 + H2O — H2SO3 — SO2•H2O (5.1)

SO2•H2O — HSO3- + H+, pKa = 1,90 (5.2)

HSO3- - SO32- + H+, pKa = 6,3 (5.3)

Таким образом, форма серы (IV) в водном растворе зависит от pH: SO2•H2O (pH < 1,5), HSO3- (pH = 1,5 — 6,5), SO32- (pH > 6,5).

Будучи двухосновной, сернистая кислота дает два вида солей: кислые — бисульфиты (HSO3- - ион) и средние — сульфиты (SO32- - ион). Соли H2SO3, как правило, труднорастворимы в воде, легкорастворимыми являются только сульфиты щелочных металлов.

5.1.2 Химия процесса замачивания зерна Сульфиты взаимодействуют с рядом пищевых компонентов [11]:

· с белками, с расщеплением дисульфитной связи:

Белок — S — S — Белок + SO32- > Белок — S — SO3- + Белок — S- (5.4)

· с различными коферментами как НАД, фолиевая кислота, пиридоскаль, тиамин (1.15) и убихинон (1.16)

(5.5)

(5.6)

· с примидинами нуклеиновых кислот, таких как урацил (1.17) и цитазин (1.18) при секвенировании ДНК

(5.7)

(5.8)

· с антоцианами, что приводит к их обесцвечиванию:

(5.9)

· с альдегидами и другими соединениями, содержащих карбонильную группу

RCHO + Na2SO3 + H2O > RCHOH (SO3Na) + NaOH (5.10)

5.1.3 Применение сульфитов Диоксид серы и соли сернистой кислоты активно применяются в различных сферах производства. Однако основной областью их использования является пищевая промышленность, в качестве пищевых добавок, как консервант, антиоксидант, стабилизатор окраски и отбеливатель.

Так, например, применение сульфита в вине, в качестве:

1) консерванта — блокирует ферменты микроорганизмов, при этом угнетает и ферменты пищевых продуктов, благодаря чему прекращаются реакции ферментативного брожения и деятельность микроорганизмов в целом, уксуснокислое скисание, мышиный привкус, ожирение;

2) стабилизатора окраски — блокирует соединения с реакционноспособной карбонильной группой (мелоноидинообразование, неферментативное потемнение; см. уравнение 1.20), также ингибирует окисление фенолов, реагирую с тирозиназой (ферментативное потемнение).

Формы сульфита, применяемые в качестве пищевых добавках (или при их получении) и их функции, представлены в таблице 5.1.

В организме человека сульфиты быстро окисляются сульфитоксидазами до сульфатов и выводятся с мочой.

Однако не у всех людей данный тип ферментов содержится в организме в достаточном количестве, что вызывает различного рода аллергические реакции [12, 13].

Таблица 5.1.

Замачивание зерна, как биотехнологическая стадия процесса.

Замачивания зерна — наиболее важная, сложная и длительная технологическая операция производства сырого крахмала из зерна, от правильности и тщательности проведения которой зависят работа не только всех последующих операций, но и количественные и качественные показатели всего производства.

Эндосперм содержит круглые зерна крахмала, не связанные крепко с белковой частью. Этот крахмал легко выделяется после кратковременного замачивания в теплой воде и умеренного помола. По мере созревания зерна, а также при его подсушивании в после уборочный период, происходит удаление из него влаги и накопление сухих веществ, в основном в эндосперме, что приводит к усилению связей между оболочками, зародышем и эндоспермом, а также их упрочнению.

Цель замачивания — разрыв или ослабление связей между оболочками, зародышем и эндоспермом, разрушение белковой прослойки, удерживающей крахмальные зерна в клетках эндосперма, экстрагирование части растворимых веществ, подавление нежелательной деятельности микроорганизмов, заносимых с зерном.

При замачивании зерна протекает следующие процессы:

· изменение структурно-механических свойств зерна в связи с разрушением или ослаблением связи между оболочками, зародышем и эндоспермом;

· изменение структуры эндосперма зерна, как результат разрушения или ослабления связи между клетками эндосперма, а также между зернами крахмала и частицами белка внутри клеток;

· извлечение большей части водорастворимых веществ (растворимые углеводы и белки, витамины, свободные аминокислоты, микроэлементы, минеральные, азотистые и другие биологически активные вещества), находящихся в незамоченном зерне и образовавшихся в процессе замачивания;

· завершение очистки зерна от возможных поверхностных загрязнений набухание; изменение влажности, химического состава; нарушение прочности и структуры зерна.

Химия процесса замачивания зерна.

В процессе замачивания зерна (кукурузы) можно выделить следующие основные химические взаимодействия:

1) денатурация белков кукурузы:

Под действием температуры (49−50 0С) происходят процессы термической денатурации белков зерна: нарушение общего плана уникальной структуры нативной молекулы белка, преимущественно ее третичной структуры, приводящее к потере характерных для нее свойств. Считается, что умеренная тепловая денатурация не влияет на удержание крахмальных зерен в клетке зерна, а значит и на выход крахмала.

2) дезагрегация молекул белка под действием сульфитов:

Наиболее важным взаимодействием при замачивании является взаимодействие белковых веществ с сульфитом: попадая в замочную воду NaHSO3 (бисульфит натрия), Na2S2O5 (пиросульфит натрия) подвергается гидролизу (5.11) с образованием, в ходе диссоциации, бисульфит-иона (5.12), который интенсивно адсорбируется зерном и проникает через полупроницаемую семенную оболочку внутрь зерна, дезагрегирует молекулы белка, и частично переводит их из нерастворимого состояния в растворимое (5.13).

Na2S2O5 + H2O > 2NaHSO3 (5.11)

NaHSO3 > Na+ + HSO3- (5.12)

Белок — S — S — Белок + HSO3- > Белок — S — SO3- + Белок — SH не растворим растворим (5.13)

Белки с восстановленными сульфгидрильными группами обладают повышенной реакционной способностью, легче подвергаются гидратации и протеолизу, тиосульфат белка имеет повышенную растворимость в воде.

Бисульфит инактивирует зародыш, воздействуя на семенную оболочку зерна, превращая ее из полупроницаемой в проницаемую. В связи с этим ускоряется проникновение растворимых веществ в замочную воду. Благодаря дезагрегации молекул белка эндосперма, в частности зеина, под действием сульфита теряют свою кристаллическую структуру, набухают, превращается в гель. Это способствует освобождению крахмальных зерен из окружающей их белковой массы.

3) молочнокислое брожение:

При загрузке чанов зерном вместе с ним вносят определенную микрофлору. Высокая температура замачивания зерна в присутствии сульфитов препятствует активной деятельности микроорганизмов. Однако снижение концентрации HSO3- в замочной воде в процессе замачивания (путем взаимодействия с белками и улетучиванию SO2) и накопление в ней питательных веществ создают условия, при которых возможно брожение, вызываемое термофильными молочнокислыми бактериями. Субстратом для микроорганизмов является сахар, вымываемый из кукурузы. Сахароза быстро гидролизуется до D-глюкозы и D-фруктозы (3.1), которые полностью сбраживают бактерии с образованием двух молекул молочной кислоты, с выделением энергии, необходимой для развития бактерий (5.14).

C6H12O6 > 2CH3CH (OH)COOH + 218 кДж (5.14)

Азотистое питание микроорганизмов обеспечивается перешедшими в замочную воду пептидами и аминокислотами зерна.

Зерно является первым источником внесения молочнокислых бактерий в замочную воду, однако основное их количество поступает в чаны с процессовой водой. Процесс молочнокислого брожения протекает в анаэробных условиях, а аэрация замочной воды тормозит его, но к концу процесса замачивания концентрация молочной кислоты возрастает (рис. 5.1).

Молочная кислота, как и бисульфит, способствует размягчению и набуханию белков зерна. Она не летуча и при уваривании экстракта удерживает в растворе катионы Mg2+ и Ca2+, предотвращая тем самым отложения нерастворимой накипи на поверхностях нагрева выпарных аппаратов. Кроме того, при совместном воздействии на зерно молочной кислоты и сульфитов может происходить некоторые изменения в структуре крахмала. Поэтому замачивание кукурузы необходимо проводить в оптимальных условиях так, чтобы не изменить физико-химические свойства крахмала [5, 6].

Физико-химические процессы, протекающие при замачивании зерна, изменяют его химический состав. Из зерна в замочную воду переходят около 70% минеральных солей, 42% растворимых углеводов и 16% растворимого белка. Количество крахмала, жиров, клетчатки и пентозанов при замачивании практически не изменяется, а процентное соотношение по сравнению с незамоченным зерном немного увеличивается (табл. 5.2).

Таблица 5.2 Изменение химического состава кукурузного зерна в процессе замачивания

Всего в замочную воду переходит около 7−10% сухих веществ незамоченного зерна. При этом около половины всего количества растворимых веществ экстракта извлекается из зародыша. Зародыш теряет примерно 85% минеральных веществ и около 60% белковых. Из эндосперма в экстракт переходит только 13−14% белка. Объясняется это тем, что белок зародыша на 70−75% состоит из легкорастворимого глобулина, тогда как белок эндосперма только на 10%.

Накопление сухих веществ в замочной воде во время замачивания протекает почти пропорционально продолжительности этого процесса (рис. 5.1).

Рис. 5.1 Изменение состава замочной воды в процессе замачивания зерна Процесс перехода сухих веществ в замочную воду протекает почти с одинаковой интенсивностью в течение всего времени замачивания (рис. 5.1, кр. 7). С увеличением продолжительности замачивания растет содержание азотистых веществ в замочной воде (рис. 5.1, кр. 5). В начале процесса наблюдается рост содержания сахаров в замочной воде, далее этот показатель интенсивно уменьшается (рис. 5.1, кр. 2), что обусловлено активизацией деятельности молочнокислых бактерий. Значение pH замочной воды после введения ее в чан устанавливается на уровне 3,2, но затем возрастает до 3,9−4,1 и сохраняется неизменным (рис. 5.1, кр. 1). Некоторое изменение pH можно объяснить связыванием бисульфита с зерном и испарением SO2 в атмосферу. Стабилизация pH в первой половине вызвана вымыванием из зерна фитина и фосфатов, которые обладают буферными свойствами, во второй половине операции стабилизация вызвана образованием молочной кислоты и ее солей.

Технологическое описание стадии процесса замачивания.

Для замачивания зерна на ООО «Каргилл» используют замочные чаны, укомплектованные в батарею (см. стр. 40), включающей 12 чанов объемом 180 м³ каждый и расположенной в специально оборудованном отделении завода. Процесс замачивания является полностью автоматизированным.

После завершения предварительного осмотра чана и его подготовки в него из элеватора, путем гидротранспорта подается кукурузное зерно. Вода, применяемая для этой цели — это замочная вода, которая поступает из ранее загруженного зерном чана. Замачивание кукурузного зерна осуществляется противоточным (диффузионным) методом, при котором замочная батарея работает как единое целое. Благодаря чему создаются условия, при которых концентрация растворимых сухих веществ в зерне всегда выше, чем в воде, что способствует их переходу в замочную воду. После заполнения чана водой (? на 40%) начинается ее циркуляция по большому гидротранспортному кольцу (чан > насос > подогреватель > насос > чан) и после стабилизации гидротранспортного потока начинается подача зерна. Далее, происходит загрузка в чан требуемого количества зерна. Из батареи периодически выключается два чана — один на загрузку зерном, второй — на его выгрузку. В остальных чанах замочная вода либо перекачивается из чана в чан, противотоком к поступающему зерну, либо циркулирует в чане «на себя». Во время циркуляции замочной воды или перекачивания по батарее ее подогревают паром в подогревателях (П1−12) — теплообменниках типа «труба в трубе». Так, например, при загрузке чана 10, открывается клапан К10, и чан заполняется процессовой водой из чана 9, которая представляет собой слабый «сульфитный» раствор, полученный путем растворения NaHSO3 или Na2S2O5 в воде, в спецальноотведенной для этого емкости с мешалкой 2.

Следует отметить, что применение бисульфита и пиросульфита не случайно, при применении этих солей: разделение на составные части зерна происходит лучше, так как в реакции дезагрегации белка участвует непосредственно бисульфит-ион; содержание свободного SO2 в 25−70 раз меньше, а коррозионное воздействие в 3 раза ниже, что объясняется образованием на поверхности металла тонкого слоя прочного оксида, который предохраняет металл от коррозии.

В это время чан 11 разгружается, чан 12 промывается, а чан 1 заливается раствором, из которого в последующие чаны по средствам насосов Н1−12, через подогреватели П1−12 перекачивается в последующие чаны. У чана 11 открыта задвижка З11, через которую зерно поступает в коллектор и далее транспортируется в отделение дробления зерна и выделения зародыша. Кран Т11 при этом перекрывает трубопровод со стороны со стороны чана 12, промывная жидкость из которого насосом Н12 забирается из нижней части чана и подается в верхнюю, т. е. осуществляется перекачивание «на себя». Кран Т12 перекрывает тубопровод, идущий к чану 1, открывая доступ процессовой водыв часть трубопровода между чанами 11 и 12 и через открытый клапан К12 в чан 12 — к насосу Н12. По окончании загрузки и заливки чана 10 перекачку воды в батарее прекращают, и замочная вода в каждом чане циркулирует «на себя» в течение 1 часа, к этому времени чан 1 уже залит процессовой водой.

После выработки чана 11 его осматривают и, убедившись в его исправности, начинают загрузку, закрыв предварительно задвижку З11. Параллельно из чана 12 начинается выгружать зерно, в чане 1 промывать зерно, а чан 2 заливается процессовой водой. В процессе работы следует строго соблюдать последовательность и очередность заполнения чанов. Пропуск нарушает ход процесса, ухудшает экстракцию растворимых веществ и уменьшает концентрацию экстракта. Условиями замачивания зерна, обеспечивающие высокий выход крахмала является:

1) концентрация HSO3- в воде 0,4−0,6%;

2) температура замочной воды, в течение всего периода должна быть 49−50 0С;

3) продолжительность операции замачивания 27−32 часов;

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате прохождения производственной практики на предприятии ООО «Каргилл» были приобретены основные знания и навыки, применение которых необходимо при работе на производстве крахмала и крахмалопродуктов. В частности был изучен процесс производства сырого крахмала из кукурузного зерна, рассмотрены основные стадии производства. Подробно рассмотрен процесс замачивания кукурузного зерна.

1. Кочетков, Н. К. Химия углеводов / Н. К. Кочетков, А. Ф. Бочков, Б. А. Дмитриев и др. — М.: Химия, 1967. — 672 с.

2. Трегубов, Н. Н. Технология крахмала и крахмала продуктов / Н. Н. Трегубов, Е. Я. Жарова, А. И. Жушман и др. / под ред. Н. Н Трегубова. — 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. — 472 с.

3. Костенко, В. Г. Производство крахмала / В. Г. Костенко, А. Е. Овчинников, В. М. Горбатов / под. ред. М. С. Рыжакова. — М.: Пищевая промышленность, 1975. — 208 с.

4. Wayne G. Broehl. A Summary of Cargill’s History Jr. Cargill: From Commodities to Customers (Hanover, New Hampshire: University Press of New England, 2008

5. Belitz, H. D. Food Chemestry / H. D. Belitz, W. Grosch, P. Schieberle; 4th revised and extended ed.; - Ed.: Springer, 2009. — P. 1070. illus. — ISBN 5−93 208−043−4

6. BeMiller, J. Whistler, R. Starch: chemistry and technology / James BeMiller, Roy Whistler; 3th edition; - Ed.: Elsevier Inc., 2009. — P. 900. illus. — ISBN 978−0-12−746 275−2.

7. Schmidt, M. Siebert, W. Comprehensive Chemical Kinetics; Bamford, C. H., Tipper, C. F. H., Eds.; Elsevier: Amsterdam. — 1972. — Vol. 6 — P. 878.

8. Schmidt, M. Sulfur in Organic and Inorganic Chemistry / Senning, Ed.: Marcel Dekker: New York. — 1972. — Vol. 2 — P. 84.

9. Brandt, C. van Eldik, R. Transition Metal-Catalyzed Oxidation of Sulfur (lV) Oxides. Atmospheric-Relevant Processes and Mechanisms / Brandt Christian, Rudi van Eldik // Chem. Rev. — 1995. — Vol. 95. — P. 119 — 190.

10. Бусев, А. И. Аналитическая химия серы. / Л. Н. Симонова, А. И. Бусев; под ред. Э. А. Остроумов. — М.: Наука, 1975. — 272 с.

11. Некрасов, Б. В. Основы общей химии / Б. В. Некрасов. — М.: Химия, 1973. 656 с.

12. van Eldik, R. Harris, G. M. Kinetics and Mechanism of the Formation, Acid-Catalyzed Decomposition, and Intramolecular Redox Reaction of Oxygen-Bonded (Sufito)pentaamminecobalt (III) Ions in Aqueous Solution / R. van Eldik, G. M. Harris // Inorg. Chem. — 1980. — Vol. 19. — P. — 880 — 886.

13. Сарафанова, Л. А. Пищевые добавки: Энциклопедия / Л. А. Сарафанова. 2-е изд., испр. и доп. — СПб.: ГИОРД, 2004. — 808 — ISBN 5−901 065−79−4.

.ur