Природні полімери крохмаль

Багато років тому, до того як з'явилися пластмаси і синтетичні полімери, тобто майже настільки ж давно, як існує сама Земля, природа використовувала природні полімери для того, щоб стала можливою життя. Полімери (від грец. Π # 959; # 955; # 973; - - «багато» і # 956; # 941; # 961; # 959; # 962; - «частина») - неорганічні і органічні, аморфні і кристалічні речовини, одержувані шляхом багаторазового повторення різних груп атомів, які називаються «мономерами», з'єднаних в довгі макромолекули хімічними або координаційними зв'язками. Полімер - це високомолекулярна сполука, речовина з великою молекулярною масою (від декількох тисяч до декількох мільйонів).

Ми думаємо про природні полімери інакше, ніж про полімери синтетичних, оскільки ми не можемо похвалитися, що вони є плодом нашої винахідливості, а хімічні компанії не можуть продавати їх з метою отримання доходів. Однак, все це не робить природні полімери менш важливими. Насправді виявляється, що багато в чому вони навіть важливіше синтетичних.

Природні органічні полімери (біополімери) складають основу всіх тварин і рослинних організмів.

Протеїни або білки були першим прикладом поліамідів. Білки є основним органічною речовиною, з якого побудовані клітини тваринного організму (в рослинних клітинах білка міститься менше).

Функції білків в організмі універсальні: ферментативна, структурна, рецепторна, скорочувальна, захисна, транспортна, регуляторна.

Ензими є одним з найважливіших видів поліпептидів, які є ключовою ланкою для появи життя на Землі. Всі живі організми використовують ензими для того, щоб будувати, змінювати і руйнувати інші види обговорюваних тут полімерів. Ензими є каталізаторами, які виконують чітко визначену роботу.

Шовк - один з унікальних поліпептидів, який стали використовувати вже дуже давно завдяки його чудовим властивостям.

Нуклеїнові кислоти здійснюють зберігання, відтворення і реалізацію генетичної інформації, керують точним ходом біосинтезу білків в клітинах. ДНК і РНК

ДНК і РНК містять основну ланцюг, що складається з ланок глюкози. Тому вони відносяться до групи полімерів полісахаридів, хоча в разі ДНК і РНК саме бічні групи, добре впорядковані, надають цим полімерів їх унікальні властивості.

Інша сімейство полісахаридів включає крохмаль і целюлозу.

Целюлоза є основним полімером, з якого побудовані рослини. Деревина в основному складається з целюлози. Целюлоза в високого ступеня кристалічності, тому не розчиняється практично ні в чому. Бавовна є однією з різновидів целюлози, яку ми часто використовуємо в нашому одязі. Те, що бавовна не розчиняється в гарячій воді, для нас дуже важливо. В іншому випадку наша одяг розчинялася б при спробі випрати її. Целюлоза також володіє тим приємним властивістю, що якщо ви намочіть її, а потім проведете по ній гарячою праскою, вона знову вирівнюється і розгладжується. Це надає охайний вигляд нашої одязі (по крайней мере, на деякий час), але тим не менш дозволяє легко змивати з неї бруд, коли ми її стираємо.

Знаходження в природі

Крохмаль - суміш полісахаридів зустрічаються в рослинах у вигляді зерен,

з йодом дає характерне синє забарвлення; білий порошок. Нерозчинний в холодній воді, в гарячій воді набухає, утворює колоїдний розчин (крохмальний клейстер). У воді, при додаванні кислот (розбавлена H2 SO4 і ін.) Як каталізатора, поступово гідролізується зі зменшенням молекулярної маси, з утворенням «розчинної крохмалю», декстринів, аж до глюкози. Крохмаль-самий распросраненний запасний вуглевод рослин; так в найбільш часто використовуваних для виробництва крохмалю рослинах, бульбах картоплі міститься до 24% крохмалю, в зернах пшениці - до 64%, рису - 75%, кукурудзи - 70%.

Утворюється в листі в результаті фотосинтезу і відкладається в коренях, в бульбах і насінні у вигляді зерен, що мають величину, форму і внутрішню будову, характерні для кожного виду рослин.

Крохмальні зерна неоднорідні, крім полісахаридів вони містять воду (10-20%) і дуже невеликих кількостях фосфати, кремнезем, жирні кислоти, ліпіди та ін. Полісахариди крохмалю складаються із залишків D-глюкози в її aD-глюкопіранозной формі і відрізняються ступенем полімеризації і характером зв'язків а-D-глюкопіранозних одиниць. Полісахариди крохмалю можна розділити на 2 головні фракції. амилозу і амилопектин.

Амилозу і амилопектин виділяють, діючи на крохмаль розчинами солей (MgSO4, (NH4) 2SO4, Na2SO4) містять н-бутиловий спирт, при нагріванні до 120 градусів з наступним осадженням амілози при 70 градусів і амілопектину при 20 градусів. Для виробництва амілози використовуються також спеціальні сорти кукурудзи. Крохмаль який містить 55-75% амілози. Амілопектин (аміока) виробляють також з восковидной кукурузи.Прі дії ферментів або нагріванні з кислотами піддається гідролізу. Крохмаль не має смаку.

Виробництво крохмалю відомо з глибокої давнини. Пшеничний крохмаль отримували вже в античну епоху на островах Середземномор'я, в Стародавній Греції і Римі. Зерна пшениці замочували підсолодженою по-дою в дерев'яних чанах, піддавали бродінню, після чого розминали нога-ми, потім масу пропускали через лляну тканину або сито; отриману крохмальну суспензію облягали в спеціальних відстійниках, сирої крах-малий намазували на камені і висушували на сонці. Початок виробництва крохмалю з пшениці в інших європейських стра-нах відноситься до XVI ст. У XVII ст. майже одночасно з поширенням культури картоплі, завезеної з Америки, стали виробляти картопляний крохмаль. Більш широкий розвиток виробництво картопляного крохмалю отримало в кінці XVIII в. після винаходу ручної терки і пере-вода її на машинний привід. Розвиток картоплі-і кукурузоперерабативающего виробництв непо-безпосередніх пов'язано з видом використовуваної енергії. Заміна ручних приво-дів або кінної тяги на механічні приводи з поступовим переходом спочатку на використання пара, а потім електричної енергії призвела до суттєвих змін не тільки конструкцій машин і апаратів, а й способів ведення основних технологічних операцій: подрібнення результат-ного сировини, поділу крохмальних і крахмало-білкових суспензій і т.д.

Основними етапами переробки крахмалсодержащего сировини були і продовжують залишатися:

попереднє очищення сировини від домішок;

попереднє руйнування структури сировини хімічними і биоло-ня способами для зменшення енерговитрат при подрібненні;

Подрібнення сировини на окремих-ні компоненти; Подрібнення проводиться в терках різного пристрою, дією поверхні, забезпеченою великим числом зубів, причому обертається або сама поверхня, або подрібнювати маса. Зуби, внаслідок тиску, проникають в роздрібнюють матеріал і відривають невеликі частинки. Мезга, що отримується з терок, складається з крохмальних зерен, дрібних частинок м'якоті, дрібних волокон від розірваних клітин і розбавлена водою.

поділ на фракції подрібненої маси з використанням в ка-честве розділової середовища клітинної рідини сировини, а також сопровож-дає і екстракційної рідин;

витяг крохмалю і концентрування побічних продуктів в багатоконтурних рециркуляційних установках;

регенерація супроводжує і екстракційної рідин для по-наступній рециркуляції в процесі;

зниження споживання чистої води шляхом її рециркуляції в процес-се виробництва.

Для очищення крохмалю застосовують метод багаторазового проціджування через більш дрібні сита. У промислових масштабах крохмаль очищають в центрифугах.

На заключному етапі крохмаль піддається сушінню. Найпоширеніший прийом висушування крохмалю - це висушування на рамах в спеціальних сушильних камерах. Рами з натягнутим на них грубим полотном, навантаженим вологим крохмалем, вставляються через отвори в поперечних стінках таких камер і пересуваються по горизонтальних брусів, розташованим у бічних стінок. Крім зазначених сушив пропонуються також так зв. механічні сушарні, забезпечені пристосуваннями для механічного пересування крохмалю.

Картопляний крохмаль надходить у продаж у вигляді шматків і у вигляді порошку або муки. Для роздрібнення крохмалю застосовують переважно кульові млини особливого пристрою.

Вибір рослинних сирих матеріалів для виробництва крохмалю, залежить не тільки від їх ціни і вмісту крохмалю, але також від їх властивостей. Крохмаль тим легше витягується з будь-яких частин рослин, ніж меншою щільністю володіє тканину, його укладає, і чим менше вона містить азотистих речовин, облекающих крохмальні зерна. Тому витяг крохмалю з картоплі легше, ніж з твердого насіння, що містять багато білків, які пшениця, рис і ін. З деяких матеріалів, наприклад з насіння бобових, внаслідок дуже тісного перемішування в них білкових речовин та крохмальних зерен, витяг крохмалю простим відмиванням водою неможливо ; з інших рослин виділення крохмалю ускладнюється через присутності фарбувальних, дубильних і ін. речовин, важко відокремлюваних від крохмалю. Завдяки зазначеним умовам, порівняно невелике число рослинних матеріалів застосовується для заводського отримання крохмалю.

В даний час найбільша кількість крохмалю отримують з картоплі. До більш нових виробництв належить отримання крохмалю з рису, поширене в Англії, і приготування з кукурудзи, вироблене у великих розмірах в Америці.

Що стосується використання інших видів крахмалсодержащего сировини, то в останнє десятиліття значно зросла виробництво крохмалю з сорго, рису, ячменю, маніока із застосуванням переважно обладнання д-ня традиційних технологій.

Промислове використання крохмалю

і його похідних

Крохмаль має надзвичайний високе застосування а різних галузях промисловості. Його переробляють в патоку і глюкозу. Харчова промисловість є одним з найбільших споживачів крохмалю і крохмалепродуктів. Крім того, велика кількість крохмалю продається у вигляді кінцевого продукту для домашнього використання. Немодифіковані і модифіковані крохмалі і глюкоза використовуються в харчовій промисловості з однією або декількома з наступних цілей:

Безпосередньо як клейстерізованний крохмаль, кисіль.

Як загусник, завдяки в'язким властивостям (в супах, дитячому харчуванні, соусах, підливах.)

Як наповнювач, що входить до складу твердого вмісту супів, пирогів.

Як сполучна для закріплення маси і запобігання висихання в процесі пріготовленія- (ковбаси і м'ясні продукти).

Як стабілізатори, завдяки високій здатності крохмалю утримувати вологу.

Застосування глюкози в деяких сортах дріжджового хліба і хлібобулочних виробів має безсумнівні переваги, так як глюкоза безпосередньо засвоюється дріжджовими клітинами, внаслідок чого, ферментація проходить повніше і швидше. Крім того, глюкоза надає золотистий колір скоринці і продовжує термін зберігання хліба.

Патока і глюкоза широко застосовуються в якості підсолоджувачів в кондитерських виробах. Крім цих широко поширених в кондитерській промисловості крахмалопродуктов, в ній також використовуються нативні і модифіковані крохмалі для виробництва багатьох видів цукерок; таких як желейні цукерки, ірис, тверді і м'які жувальні гумки, карамель, помадка і рахат-лукум. Основне застосування крохмалю в кондитерській промисловості полягає у виробництві карамелі, кондитерської маси та інших видів солодощів як інгредієнт і при виготовленні виробів з розплаву або для посипання солодощів, щоб запобігти їх злипання. Амілопектин застосовують як клеї в харчовій промисловості.

Крохмаль покриває потребу людини у вуглеводах.

Рослини, які є джерелами крохмалю, завжди були важливою частиною раціону харчування людини, що дає 70-80% споживаних калорій. Завдяки широкій поширеності цих рослин, а також з-за низької вартості, легкості модифікації і возобновляемости джерел не дивно, що знайшлося багато способів нехарчового застосування крохмалю. Ацілірованная крохмаль застосовують для приготування покриттів і загусники. З амілози отримують міцні плівки типу целофанових, нерозчинні у воді і органічних розчинниках. Алкілпроізводние крохмалю застосовують в адгезиви, сполучних, покриттях, пенах, наполнителях, флокулянтів, пелюстках, клеях і модифікатори в'язкості. Застосовують також модифіковані крохмалі, яким відповідної обробкою, наприклад термічної або окисленням гіпохлорид, надають спеціальні технічні характеристики.

Найбільшим споживачем крохмалів є паперова промисловість, яка отримує більше 60% всього виробленого крохмалю. Різні види крохмалю використовуються на різних стадіях виробництва паперу:
Додавання гідрофільних агентів, яким є крохмаль, при розуміли целюлози збільшує набухання волокон, їх гнучкість і еластичність, сприяє утворенню додаткових межволоконних зв'язків в готової папері, надає пружність і стійкість до стирання і зламу. Також додавання крохмалю в паперову масу сприяє утриманню наповнювача. Зазвичай для цих цілей застосовують іонні крохмалі, як катіонні, так і аніонні.

Для поліпшення зовнішнього вигляду і друкарських властивостей паперу, збільшення міцності, додання гідрофобності застосовується поверхнева проклейка на формувальному пресі, де на одну або обидві сторони частково висушеного полотна паперу або картону наноситься крохмаль (зазвичай окислений або карбоксил).
У разі мелования і нанесення покриттів крохмаль служить і як складова покриття і як адгезив.
У виробництві картону крохмаль застосовується як для проклейки плоских шарів, так і для склеювання листів гофрокартону Адгезиви на основі крохмалю складають приблизно 60% від загальної кількості натуральних адгезивов.

Крохмаль є поширеною основою для виробництва клею, який найчастіше застосовується для склеювання паперу до таких матеріалів, як скло, мінеральна вата і глина. Крохмаль, крім того, може служити прекрасним сполучною для непаперових матеріалів, таких як вугілля та вугільні брикети, мінеральна вата в стельових керамічних елементах перед випалюванням.
Найбільш часто для приготування клею використовують кукурудзяний, картопляний і тапіоковий крохмалі. Тапіоковий крохмаль дає більш в'язкі і однорідні клеї. Вони являють собою рідкі стабільні склади, що клеять, мають нейтральний pH, легко готуються і суміщені з емульсіями багатьох синтетичних смол. Кукурудзяний і рисовий крохмалі вимагають більшого часу для приготування і більш високих температур для досягнення тієї ж ступеня перетворення. Тапіоковий крохмаль, даючи кілька міцніші адгезиви, ніж картопляний, в той же час не володіють запахом і смаком, ідеально підходить для виробництва клею для поштових марок, конвертів та наклейок.

У фармації крохмаль використовують для приготування мазей і присипок, застосовується як наповнювач при таблетуванні лікарських засобів, як основа для отримання кровозамінників, а продукт повного гідролізу крохмалю - глюкоза є незамінним і широко поширеним медичним препаратом. Крохмаль застосовується також у складі поживних коштів у виробництві антибіотиків і вітамінів.

Крохмаль як основний вид сировини використовується у виробництві етилового спирту харчового і медичного призначення. н-бутилового спирту, ацетону, молочної, лимонної і глюконової кислот, гліцерину, 2,3-бутиленгліколь і інших продуктів.

В останні роки спостерігається тенденція збільшення обсягів виробництва крохмалю. І розширення застосування крохмалю і його похідних в різних галузях виробництва.

Література: H. Тавілдаров, "Хімічна технологія сільськогосподарських продуктів" (т. I, 1888).